中国科大通过压力调控首次观测到石墨烯／六方氮化硼二维莫尔超晶格中三级能隙

　　中国科学技术大学张增明教授、乔振华教授、秦维教授等人组成的联合团队在二维莫尔超晶格的量子调控研究中取得突破性进展。该团队自主研发了一套适用于极高压力的范德华异质结量子输运测量技术，并以石墨烯/六方氮化硼（h-BN）莫尔超晶格为平台，实验证明了通过压力可大幅增强莫尔势，首次观测到理论预言的“三级能隙”（tertiary gap）。这一成果为利用压力调控莫尔电子能带、探索新奇关联物态开辟了全新的研究范式。相关成果以“Pressure-Driven Moiré Potential Enhancement and Tertiary Gap Opening in Graphene/h-BN Heterostructure”为题，于7月24日在线发表在国际物理学权威期刊《物理评论快报》上，并被选为“编辑推荐”文章（Editors' Suggestion）。

　　图：高压下石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格的量子输运性质与能带结构演化

　　莫尔超晶格为构筑和调控关联量子物态提供了理想的平台。传统上，科学家主要通过改变转角来调节莫尔周期性，但器件制备完成后转角便固定下来，难以实现动态调控。静水压作为一种“洁净”的原位调控手段，可以在不改变莫尔周期的情况下连续调节层间耦合，从而有效调控莫尔能带结构。然而，此前的相关量子输运研究受限于技术瓶颈，压力通常无法超过3 GPa，远未达到探索莫尔体系丰富物理现象所需的压力区间。为突破这一限制，该团队开发了创新的金刚石对顶砧（DAC）高压量子输运测量技术，实现了在高9GPa的极端压力下对莫尔器件的高精度测量。该工作是团队在高压下二维器件物性研究方面的又一重要成果，此前他们已成功将金刚石NV色心技术与DAC相结合，实现了高压下石墨烯器件中电流密度的高分辨成像（Nano Letters, 2024, 24, 13, 4172–4179），为本研究奠定了基础。

　　该工作以精准转角对齐的石墨烯/h-BN异质结为研究对象。实验发现，随着压力增大，器件的主能隙（primary gap）增大了近一倍，同时第一莫尔价带的带宽被显著压窄，表明压力有效增强了莫尔势的强度。当压力超过6.4GPa时，研究人员首次在实验上观测到了一个在常压下不存在的三级能隙（tertiary gap）。理论计算也完美复现了实验结果，并揭示了该能隙的打开与压力下增强的原子弛豫效应密切相关。该项工作不仅展示了一种强大的高压量子输运实验平台，更证明了静水压是调控莫尔体系电子能带结构和电子关联效应的普适而有效的工具。该技术有望被推广到转角双层石墨烯、过渡金属硫化物等其他莫尔体系中，从而在一个更广阔的参数空间内探索和发现非常规超导、拓扑量子态等新奇的关联与拓扑现象。

　　中国科学技术大学物理学院博士生王宇鹏、安家骐、叶春晖为论文的共同第一作者，物理学院张增明教授、乔振华教授、秦维教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省量子信息技术创新计划、量子科学与技术创新计划、深空探测实验室前沿科学研究计划等项目的资助。

　　论文链接：https://doi.org/10.1103/xs5j-hp3p