物理学系高等量子研究中心何林教授课题组利用强磁场扫描隧道显微镜观测到ABC堆垛的三层石墨烯在高磁场下新奇的对称性破缺态和电子强相互作用效应。近日，相关研究成果刊发在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上。何林教授的2017届博士生殷隆晶（目前为湖南大学物理与微电子科学学院副教授）为文章的第一作者，何林教授为通讯作者。何林课题组的博士生李思宇、张钰、郭子涵也参与了该项工作。

近年来，寻找并研究具有低能平带结构的材料体系引起了科学家们极大的关注。在这种体系的平带中，电子的有效质量急剧增大，电子的库伦能将远大于电子的动能，电子-电子相互作用效应变得十分显著。于是，许多新奇的强关联现象将有望在这种材料体系中出现，例如，分数量子霍尔效应、铁磁和超导等。一些具有平带结构的体系陆续被提出与发现，像是Kagome与Lieb格子体系和魔角双层石墨烯体系等。然而，上述这些体系都需要在晶格几何形态上进行特殊的设计，才能得到理想的平带（例如魔角双层石墨烯需要制备出特定极小的角度）。ABC堆垛的三层石墨烯，其电子结构电中性点处自然地就存在着近乎无色散的平带结构。因此，它是一种十分理想的研究强关联物理的材料体系。不论是理论上还是实验上，ABC三层石墨烯中的低能平带已经得到了清楚地证实。但实验上对其电子强相互作用效应却研究甚少。

过去几年，何林教授在物理学系搭建了极低温超高真空强磁场扫描隧道显微镜系统，长期致力于石墨烯不同堆垛体系中新奇物理性质的研究。团队通过原子级空间分辨和极高能量分辨的扫描隧道显微镜，成功探测出了ABC三层石墨烯的低能平带结构和朗道量子化行为，并首次利用扫描隧道谱研究了ABC三层石墨烯特殊的朗道能级序列。这一系列工作为后续在ABC三层石墨烯强关联方面的研究取得突破性进展奠定了良好的基础。最近，通过朗道能级谱的测量，率先研究了高质量ABC三层石墨烯在强磁场下的电子相互作用效应，并发现了新奇的对称性破缺态和多体效应（图1）。该实验工作表明，ABC三层石墨烯在磁场下将出现许多有趣的对称性破缺态和新奇的电子相关联效应，也暗示着ABC三层石墨烯的确是研究平带物理一个十分理想的体系。

图1. (a) ABC三层石墨烯不同磁场下的朗道能级谱；(b)和(c) 朗道能级自旋劈裂与磁场、能级指数和填充状态的依赖关系；

(d) g因子与朗道能级的依赖；(e) 实验发现的ABC三层石墨烯中n = (0,1,2)和n = 3朗道能级对称性破缺示意图。

这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究发展计划、中组部“万人计划”青年拔尖人才支持计划、教育部青年长江学者支持计划、北京师范大学经费以及湖南省自然科学基金和湖南大学经费的支持。

文章详细信息：Yin, L.-J.; Shi, L.-J.; Li, S.-Y.; Zhang, Y.; Guo, J.-H. & He, L.* “High-magnetic-field Tunneling Spectra of ABC-stacked Trilayer Graphene on Graphite”, Physical Review Letters 122, 146802 (2019).

原文链接： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.146802