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堆垛是二維層狀材料一個獨特的結構自由度，在對稱性破缺和各種新奇的電學、光學、磁學以及拓撲現象等方面發揮著重要作用。例如，與具有中心對稱性的2H堆垛雙層二硫化鉬形成明顯對比，3R堆垛雙層二硫化鉬的空間反演對稱性是破損的，為光谷電子學和非線性物理提供了一個理想平臺。圖1：不同極性體系的LO聲子在布里淵區中心附近行為示意圖。近年來，三層石墨烯引發了研究人員的廣泛關注。通常，三層石墨烯可呈現出兩種不同的堆疊幾何構型：ABC堆垛和ABA堆垛。ABC堆垛和ABA堆垛的三層石墨烯具有完全不一樣的對稱性和電子特性，如中心對稱ABC堆垛的三層石墨烯具有電場可調的能隙，并可展現出一些列ABA堆垛三層石墨烯不具有的關聯物態：Mott 絕緣態、超導、鐵磁、自發的量子霍爾態等。如何理解ABC堆垛三層石墨烯中的這些獨特關聯物態是當前的重要研究前沿之一。
圖2. 柵電壓可調的Raman光譜
電子-聲子耦合是凝聚態物理長期以來的重要研究課題之一，是許多新奇物理現象和量子相變的基礎。在二維體系中，電子-聲子耦合的作用通常比在常規的三維體系中扮演更重要的作用。探索三層石墨烯中堆垛相關的電聲耦合對理解所觀測到的物理現象的微觀機制和設計新型器件應用是至關重要的。
圖3. 激發頻率依賴的近場紅外光譜
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心N07課題組的博士生昝曉洲在杜羅軍特聘研究員、張廣宇研究員的指導下，和國家納米科學中心的戴慶研究員、楊曉霞研究員、郭相東博士、上海交通大學史志文教授研究團隊合作，通過柵電壓可調的Raman光譜和激發頻率依賴的近場紅外光譜，闡明了ABC堆垛三層石墨烯中電子和紅外聲子之間的強耦合，為理解ABC堆垛三層石墨烯中的新奇關聯物態如超導、鐵磁性等提供了新的視角。同時，利用堆垛依賴的電子-聲子耦合，我們提出了一種簡單、無損、高效、高空間分辨的成像技術以鑒別石墨烯的堆垛次序，為將來多層石墨烯以及轉角石墨烯的研究提供了堅實的科學技術基礎。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖4. 利用Raman成像技術實現石墨烯堆垛次序的簡單、無損、高效的鑒別
相關研究成果以“Electron/infrared-phonon coupling in ABC trilayer graphene”為題發表在Nature Communications 15, 1888 (2024)。中國科學院物理研究所的博士生昝曉洲、國家納米科學中心的郭相東博士為共同第一作者，中國科學院物理研究所的杜羅軍特聘研究員、張廣宇研究員、國家納米科學中心的戴慶研究員為共同通訊作者。本研究工作獲得來自科技部重點研發計劃，國家自然科學基金委，廣東省重點研發計劃，中國科學院先導B等項目的資助。
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