中心成員清華大學物理系周樹雲研究組在《自然物理》(Nature Physics)期刊在線發表題為《石墨烯／氮化硼異質結中的第二級狄拉克錐和空間反演對稱性破缺形成的能隙》(“Gaps induced by inversion symmetry breaking and second-generation Dirac cones in graphene/hexagonal boron nitride”)的研究論文。 本項研究首次直接測量到石墨烯/氮化硼的原始和第二級狄拉克錐能帶結構，并且在狄拉克錐處發現高達160 meV和100 meV的能隙，從而揭示了空間反演對稱性破缺在石墨烯／氮化硼異質結的能隙和能帶調控中的重要性，展示了範德華異質結豐富的物理特性。
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| (a)角分辨光電子能譜直接測量到的第二級狄拉克錐。(b)石墨烯的原始狄拉克錐和第二級狄拉克錐能帶示意圖。 |
近年來，以石墨烯為代表的二維材料因其豐富的物理特性和廣泛的應用前景，吸引了研究人員的廣泛關注。目前，二維材料領域的一個重要發展方向是把單一材料的研究擴展到由多種材料堆疊組成的人工異質結構。通常稱這種由不同的二維材料通過弱範徳華作用力形成的人工新結構為範徳華異質結。在範徳華異質結中，晶格失配導緻的超晶格周期勢場對二維材料的能帶結構起到重要的調制作用，使其呈現出單個材料所不具有的新奇量子現象。
在範徳華模型體系石墨烯／氮化硼中，1.8%的晶格失配産生了一個長達～14nm的緩慢變化的周期勢，直接導緻在石墨烯原有的狄拉克錐下方産生新的（第二級）狄拉克錐，從而導緻了具有自相似遞歸能譜的Hofstadter（霍夫施塔特）蝴蝶态和拓撲電流等新奇量子效應的陸續發現。然而，由于缺乏直接的能帶測量結果，石墨烯／氮化硼體系中的若幹關鍵科學問題，例如超晶格周期勢場是如何調制其能帶結構，以及是否存在空間反演對稱性破缺導緻的能隙等，仍然存在着廣泛的争議。
周樹雲研究組最近利用角分辨光電子能譜，首次在外延生長的具有零度轉角的石墨烯／氮化硼異質結中得到了高分辨率的能帶結構，直接揭示了第二級狄拉克錐的能譜，并且證實在石墨烯的原始狄拉克錐和第二級狄拉克錐處均存在能隙。該工作揭示了空間反演對稱性破缺在異質結能隙和能帶調控中的重要性，為理解該模型範徳華異質結的新奇量子物理提供重要的實驗依據。
中心成員清華大學物理系周樹雲為論文通訊作者，主要合作者包括中心成員中國科學院物理所張廣宇研究組和複旦大學張遠波研究組。第一作者為清華大學物理系博士生王二印（負責角分辨光電子譜測量）和中科院物理所張廣宇研究組博士生盧曉波（負責樣品制備）。該項工作得到了國家自然科學基金委、國家科技部和清華大學自主科研計劃的經費支持。
文章全文鍊接：http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3856.html
