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近一个世纪以来，科学家一直在尝试调整材料的电子能带结构，以使这些材料表现出所需的物理特性。在过去的几年中，研究人员已经证明，他们可以利用产生简单周期电位的电场配置来操纵石墨烯和其他二维材料的能带结构。
中国科学技术大学曾长淦教授等与国内外同行合作，利用精心设计的人工笼目超晶格势场，成功实现了石墨烯中不同色散类型能带的选择性调控。研究人员表示，他们的新“调谐旋钮”为各种二维材料系统的按需电子能带设计铺平了道路。曾长干说，这种方法可以“开辟新的机会来诱导天然材料所不具有的属性”。
相关研究成果以“Dispersion-Selective Band Engineering in an Artificial Kagome Superlattice”为题，8月6日发表于《Physical Review Letters》，并被美国物理学会旗下在线新闻网站选为精选报道。
能带结构是决定固体材料电子特性的基础，如何实现能带结构的按需设计与调控，一直是凝聚态领域不懈追求的目标。二维材料具有灵活的栅压可调性以及易于构筑异质结的属性。利用微纳加工方式对二维材料施加周期型栅压，可以构筑人工电子超晶格，从而实现类似于摩尔势场的能带调控作用。而且，相较于摩尔超晶格，人工电子超晶格的晶格图案、对称性以及势场强度均具有更灵活的可调性，这为实现新型能带调控及物态设计提供了一个新的、更具可控性的研究平台。
人工笼目超晶格示意图
此次，研究人员精心设计了一种具有笼目晶格形式的人工电子超晶格。实验及理论研究表明，在人工笼目势场作用下，石墨烯能带中出现了线性色散能带和无色散平带等不同类型的能带分量。平带分量的电子态局域在超晶格格点处，而线性色散能带分量的电子态更加弥散，因此平带分量更容易被人工超晶格结构中的局域栅压调控。当增强人工势场强度时，平带分量的移动速度明显高于线性色散能带分量，从而导致了实验上观测到的本征狄拉克能带的抑制以及卫星狄拉克能带的增强。另一方面，在垂直磁场的作用下，由于磁场势与超晶格势的竞争，本征狄拉克能带重新占据主导作用。
研究人员表示，该研究成果提供了一种全新的原位能带调控手段，并深入理解了人工超晶格势场作用下能带演化的动力学过程。新闻网站“物理”精选报道中，评价该工作“为能带结构的按需设计奠定了基础”。
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