孙庆丰课题组与合作者在石墨烯体系中取得重要进展
石墨烯作为最早被发现的二维材料，其低能载流子是相对论性的无质量狄拉克费米子。基于此，石墨烯具有很多新奇现象，如它的量子霍尔平台出现在半整数位置，拥有赝自旋和谷自由度，等等。近日，北京大学物理学院量子材料科学中心孙庆丰课题组与北京师范大学物理学系何林课题组合作在受限石墨烯中，发现由轨道角动量耦合和赝自旋贝里相位引起的单个波前位错条纹现象，研究成果以“石墨烯中轨道角动量引起的单波阵面位错”（Visualizing a single wavefront dislocation induced by orbital angular momentum in graphene）为题，在2024年4月26日发表于《自然通讯》（Nature Communications）[1]。
近年来，孙庆丰课题组与何林课题组在石墨烯体系合作，取得若干重要进展：在双层石墨烯中提出了用磁场来连续调控贝里相位，从而实现对其谷自由度的调控，实现了连续可控调节谷能级的分裂，并构建谷开关器件[Phys.Rev.Lett.124,166801(2020)；Phys.Rev.Lett.128,206805(2022)][2,3]。在单层石墨烯体系，应变可以产生很大的赝磁场，因此有望限制石墨烯中的狄拉克费米子，我们实验合作者实现了一维周期褶纹构型应变，然后从实验和理论上证实其产生了周期赝磁场，并限制其狄拉克费米子形成赝磁场受限态，此外也利用真磁场和赝磁场的谷间相异特征来调控受限态的谷劈裂[Phys.Rev.Lett. 129,076802(2022)][4]。原子塌缩态是量子电动力学中预言的一个有趣现象。回音壁态最初是声学中的一个概念。而Klein隧穿是相对论量子物理中预言的一个效应。我们在单层石墨烯体系中实现了原子塌缩态和回音壁态的共存，并给出从零磁场下的原子塌缩态到强磁场下朗道能级的演化过程[Nature Commun. 13,1597(2022)][5]。更进一步，我们发现原子塌缩态和回音壁态通过Klein隧穿能相互演化，这充分展示出物理规律有跨越学科和尺度的相似性[Phys.Rev.Lett. 130, 076202 (2023)][6]。
波前位错是波场中一个重要和普适的现象。它意味着在一个波场中，一些额外的波前（波的等相面）会在某些拓扑缺陷附近产生。这些拓扑缺陷紧密关联着波场中波幅为零的相位奇点。环绕这些相位奇点，波会累积一个确定的相位，从而贡献确定数目的波前位错。于2023年，北京大学庄钰晨博士生和孙庆丰教授在单层和双层石墨烯中，提出采用双探针的STM来测量其波前位错，发现对应于单层和双层石墨烯体系的π和2π贝里相位，将出现2条和4条波前位错，这为测量贝里相位提供新的可靠途径[Phys.Rev.B 107,235423(2023)][7]。
最近，孙庆丰教授和何林教授的团队深入合作，在单层石墨烯单原子缺陷周围施加局域旋转非对称性的势场，研究了轨道角动量对波前位错的影响。发现了由于不同轨道角动量态之间的耦合和赝自旋关联的贝里相位的共同作用，波前位错条纹数目会由偶数变到奇数，即出现单个波前位错的反常现象（见图1）。研究成果于2024年4月26日在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）[1]。北京师范大学物理学系刘亦文博士（目前在以色列做博士后）、北京大学物理学院量子材料科学中心庄钰晨博士生和北京师范大学物理学系任雅宁博士后为共同第一作者。孙庆丰教授和何林教授为共同通讯作者。参与本工作的还有闫超、周啸峰和杨芊研究生。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导专项、北京师范大学经费等支持。
图1 (a,c,d)相同轨道角动量谷间态之间的散射导致二条波前位错的示意图。(b,e,f)不同轨道角动量的谷间态之间的散射导致单条波前位错的示意图。
论文链接：[1] https://www.nature.com/articles/s41467-024-47756-w
论文链接：[2] https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.166801
论文链接：[3] https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.206805
论文链接：[4] https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.076802
论文链接：[5] https://www.nature.com/articles/s41467-022-29251-2