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研究背景

菱形石墨烯（RG）是由ABC堆疊形成的石墨烯材料，因其在電荷中性點（CNP）處呈現平坦的能帶結構而成為研究熱點。RG材料的低能扁帶具有獨特的能量色散特性，隨著層數的增加，能帶逐漸變得更加平坦，這為研究強關聯物理現象提供了理想平臺。然而，RG多層材料中的關聯效應及其層依賴性仍未被充分探討，尤其是在不同層數的RG中，電子結構和關聯態的演變尚不明確。因此，如何理解和利用RG多層中的電子關聯效應成為當前研究的重要挑戰。

成果簡介

有鑒于此，湖南大學殷隆晶教授、秦志輝教授以及河北師范大學王文曉教授等人攜手在Nature Nanotechnology期刊上發表了題為“Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene”的最新論文。研究者們通過掃描隧道顯微鏡（STM）和譜學（STS）技術，深入探討了從三層到九層的RG材料的電子結構和關聯態。實驗結果表明，RG多層材料的電子結構在層數增加時呈現明顯的層依賴性，其中低能扁帶隨著層數增多而變得更加平坦。

此外，研究還發現，RG多層材料中存在顯著的層間耦合效應，尤其是在六層RG中，關聯態的強度達到了最大值。這些發現驗證了理論預測，表明RG材料是一種具有高度可接近性和穩定性的強關聯物理系統。通過這些研究，科學家不僅深入理解了RG多層材料的層依賴性，還為強關聯物理的進一步研究提供了寶貴的實驗依據。

研究亮點

（1）實驗首次觀察到三至九層菱形石墨烯（RG）多層材料中的層依賴電子結構和關聯效應，得到了RG不同層數下的低能扁帶及層間耦合強度的實驗數據。

（2）實驗通過掃描隧道顯微鏡（STM）和譜學（STS）技術，獲得了不同層數RG的隧道譜，展示了在電荷中性點（CNP）處扁帶引起的尖銳態密度（DOS）峰，以及由遠程帶引起的DOS峰。這些結果為層依賴電子結構的研究提供了直接證據。

（3）通過對不同層數RG的填充變化STS測量，發現低能扁帶在部分填充時發生顯著分裂，分裂能量范圍從50 meV到80 meV，表明RG多層材料中存在由相互作用引起的強關聯態。

（4）實驗還表明，RG中的關聯態強度隨著層數的增加而增強，并在六層RG中達到了最大值，直接驗證了理論預測，進一步證明RG是一個研究強關聯系統的理想平臺。

圖文解讀

圖 1. 菱形多層石墨烯的形貌和光譜

圖 2. 菱面體多層石墨烯的能帶結構演變

圖 3. 平帶 LDOS 峰的摻雜依賴性

圖 4. 電子相關性的層依賴性

結論展望

本文的研究揭示了多層石墨烯(RG)的層依賴性相關態，特別是其在低溫下的表現，提供了新的研究方向。首先，作者發現6層石墨烯在液氮溫度下展現出層增強的相關態，最大相互作用強度的出現為理解多層RG的帶結構和相關相提供了寶貴信息，說明多層結構可能為研究新型超導或其他多體物理現象提供了理想平臺。其次，層間躍遷和局部庫倫相互作用對帶隙的影響，使得該系統具有層次化的物理特性，這一發現對理解復雜材料的電子相互作用至關重要。

同時，作者發現即便在常規摻雜情況下，3至10層石墨烯展現出更強的相關效應，提出了與熱波動競爭的可能性，暗示多層石墨烯可能在低溫下表現出穩健的集體行為。因此，本文的研究不僅為多層石墨烯的物理性質提供了深入的理解，也為未來探索非常規超導及其他新型集體現象提供了新的思路和可能的實驗平臺。

文獻信息

Zhang, Y., Zhou, YY., Zhang, S. et al. Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2024).

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