殷隆晶教授团队利用原子尺度空间成像发现新奇关联量子态

在凝聚态物理领域，探索相互作用驱动的电子关联态是揭示物质微观规律的重要方向之一。菱方石墨烯平带体系最近被发现是一良好的强关联量子系统，为研究电子强关联提供了理想平台。然而，尽管实验在菱方石墨烯中发现了一系列强关联量子行为（如超导），但这些关联态在实空间中的直接微观可视化观测一直是难题。

近日，湖南大学物理与微电子科学学院殷隆晶教授团队基于扫描隧道显微镜/隧道谱的量子态微观成像技术，在二硫化钼衬底上的菱方四层石墨烯中，从实空间、原子尺度上直接观测到了由电子相互作用驱动的对称性破缺量子态——谷间相干(IVC)序。该IVC序由于自旋和谷的多重对称性破缺，其波函数表现出√3×√3的超晶格重构分布。这一重构被原子尺度的局域态密度空间成像直接观测到，且出现在液氮温度下。研究发现，该IVC序具有强烈的偏压和平带填充依赖性，仅在轻微掺杂的平带附近出现（实验在~60%和~70%填充的平带上发现）。并且在相同实验条件下，未在六方氮化硼衬底上发现该现象。结合理论计算表明，二硫化钼衬底诱导的Ising自旋轨道耦合邻近效应及其有限的屏蔽效应，对该IVC序的出现起到了至关重要的作用。这一发现直接证实了菱方石墨烯中理论预言的IVC序的存在，为该体系的对称性破缺量子态研究提供了重要的微观实验结果，并可能为理解其超导起源提供帮助。

相关研究成果以“Intervalley Coherent Order in Rhombohedral Tetralayer Graphene on MoS₂”为题发表在《物理评论快报》(Physics Review Letters)。湖南大学物理与微电子科学学院为该工作第一完成单位，物电院硕士生廖伟於为第一作者，河北师范大学王文晓副教授和湖南大学张世豪副教授（完成理论计算）为共同第一作者，湖南大学殷隆晶教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金青年项目A类和湖南大学等经费的支持。

殷隆晶教授长期从事石墨烯平带量子态的微观探测与物性研究，前期还利用微观谱学技术，揭示了菱方石墨烯平带在强磁场下丰富的对称性破缺态和关联效应（Phys. Rev. Lett.122, 146802 (2019)）；发现并提出了魔角多层石墨烯中局域-非局域平带共存的物理图像（Phys. Rev. Lett.128, 126401 (2022)）；实现了菱方多层石墨烯平带关联态液氮温度下的谱学观测，并揭示其层数演化规律（Nat. Nanotechnol.20, 222 (2025)）。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/s27c-kmfs

来源：物电院

责任编辑：文亦佳