石墨烯量子振荡，先发Nature，再发Science！

一、【科学背景】

金属在外部磁场作用下的热力学和输运性质的振荡是一种基本的量子效应，源于回旋轨道区域的量子化。在2D系统中，由离散朗道能级（LL）解释的量子振荡（QOs）的周期性与所施加的场和费米表面（FS）几何结构具有普遍关系。振荡对于解析莫尔条纹材料的能带结构（BS）是必不可少的，其中超晶格电势的存在和增强的电子-电子相互作用导致形成具有多个FSs和对称破缺态的窄微带。此外QOs还可以揭示石墨烯中的能带拓扑结构和应变诱导的伪磁场。

在块状材料中，QOs是通过测量由de Haas-van Alphen（dHvA）效应引起的磁化振荡来检测的。然而，在2D电子系统中，热力学性质的这些振荡通常无法观测。这将二维电子系统的研究主要局限于输运系数的非热力学Shubnikov-de Haas（SdH）振荡。然而，通过使用毫米大小的样品以及磁性掺杂的硒化锌（ZnSe），一些研究已经成功地解决了砷化镓（GaAs）异质结构中二维电子气（2DEG）的磁化振荡。相比之下，剥离的干净范德华结构的尺寸通常限制在几十微米以内，这使得在原子薄系统中观察dHvA效应相当具有挑战性。此外，先前在2DEG和块状材料中的dHvA研究是整体的，没有提供关于局部BS和热力学电子性质的空间信息。为此，以色列魏茨曼科学研究所Eli Zeldov教授和美国麻省理工学院Leonid S. Levitov教授团队在Science上发文报道了在莫尔石墨烯中，因de Haas-van Alphen效应引起热力学磁化振荡的纳米尺度成像。

而在2023年11月22日，Eli Zeldov教授团队在Nature上发文，报道了基于扫描超导量子干涉装置，在一个模型系统（具有双栅的伯纳尔Bernal堆叠三层石墨烯）中，实现了de Haas-van Alphen量子振荡的成像，并显示了几个高度可调的能带。

二、【科学贡献】

研究人员在温度T=300 mK下进行BLG样品的纵向电阻率（ρ_xx）和霍尔电阻率（ρ_yx）的传输测量，并将其作为施加的面外磁场B_a和载流子密度n的函数。

图1  在六方氮化硼hBN对齐的伯纳尔堆叠双层石墨烯（BLG）中的传输测量 © 2024 AAAS

为了研究磁化振荡，研究人员非常灵敏的磁力计（一种超导量子干涉装置）放置在pipette锋利顶端，扫描了莫尔石墨烯样品，结果探测到了磁化振荡的模式，并利用这些数据重建了复杂的能带结构。

图2  de Haas-van Alphen (dHvA)效应成像 © 2024 AAAS

三、【创新点】

本研究通过利用超导量子干涉仪尖端扫描与六方氮化硼晶轴对齐的Bernal双层石墨烯晶体，揭示了弱磁场中幅度达到每电子500玻尔磁子的大型磁化振荡，表现出意外低的频率，以及对超晶格填充分数的高灵敏度。这种振荡有助于重构复杂的能带结构，进而揭示具有多重叠费米子表面的窄莫尔能带。

四、【科学启迪】

综上，由于QOs对BS细节的极端敏感性，研究人员的测量提供了一个独特的多频带莫尔FSs及其低能电子特性的探针。基于SQUID扫描在Bernal BLG晶轴与六方氮化硼对齐的尖端，揭示了在弱磁场中振幅达到每个电子500个玻尔磁子的较大磁化振荡、出乎意料的低频率，以及对超晶格填充分数的高灵敏度。这一量子振荡，可用于重建复杂的能带结构，进而揭示了具有多个重叠费米面的窄莫尔带，这些费米面被异常小的动量间隙隔开。还确定了一组量子振荡，并违反了教科书中的Onsager Fermi面求和规则，这表明了由相干磁击穿（CMB）引起的宽带粒子-空穴叠加态形成，为CMB引起的粒子-空穴相干是莫尔条纹材料中能带工程提供一个有吸引力但尚未探索的方向。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3499

本文由赛恩斯供稿。