是什么驱动石墨烯中的电子 – 空穴不对称性？

(Nanowerk News）使用高级光源（ALS），研究人员确定电子之间的相互作用是导致石墨烯掺杂电子与空穴时观察到的发散效应的原因（npj量子材料，“石墨烯场效应器件中相关驱动的电子 – 空穴不对称性”）。

更好地了解这种电子 – 空穴不对称性可以为产生奇异材料相带来新的途径，包括非常规超导性。

角度分辨光发射光谱（ARPES）实验具有掺杂水平的电压门控控制（底部），可以直接可视化石墨烯的掺杂相关能带结构（右）。顶部插图显示了样品的光学显微照片（比例尺= 20μm）。（图片由研究人员提供）

电子-空穴不对称性

材料电子特性的差异有时会在掺杂电子而不是空穴时出现。这种电子 -空穴不对称性对包括超导性在内的奇异物质相的出现产生了深远的影响。电子和空穴之间对称性的这种打破如何驱动新的基态和相变，仍然是凝聚态物理学中一个开放和基础的问题。

事实上，电子 – 空穴不对称是许多量子材料的相图中反复出现的关键特征之一，包括铜酸盐超导体，扭曲石墨烯片和其他异质结构，其稍微不匹配的晶格产生摩尔纹图案。这些材料都表现出强烈的电子 – 电子相互作用和非常规超导性。

研究这个基本问题的探索导致了单层石墨烯，这是大多数摩尔纹体系的母体材料。

石墨烯中的电子 – 空穴不对称性主要归因于外在来源，如杂质和应变，而不是诸如粒子相互作用的内在效应（即电子相关性）。在这项工作中，由伯克利实验室材料科学系和加州大学伯克利分校的研究人员领导的一个团队使用角度分辨光发射光谱（ARPES）来确定，与早期的想法相反，固有电子相关性实际上是石墨烯电子 – 空穴不对称性的主要驱动因素。

ALS的门控ARPES

今天，解决石墨烯中电子 – 空穴不对称性的起源需要一个探针能够完全访问材料中准粒子的自能（即粒子与其环境相互作用的影响），作为能量，动量和掺杂的函数。ARPES可以进入完全的能量和动量相关能带结构，但在过去，它通常需要从根本上改变样品性质的掺杂方法。

最近在ALS Beamlines 4.0.3和7.0.2的ARPES实验中引入了静电控制掺杂，从而可以研究掺杂依赖性自能量，同时使样品处于原始状态。在这种方法中，在石墨栅极和石墨烯样品之间建立的正（或负）电压导致电子的添加（或减法），改变样品中电子和空穴的平衡，同时探测能带结构的变化。

固有不对称的特征

高分辨率门控ARPES结果揭示了波段色散特征（能量与动量数据）的显着不对称性以及准粒子寿命的相关计算。对结果的详细分析使研究人员能够排除与数据不一致的不对称来源。

这些消除的机制包括由应变增强的固有带状结构差异（例如，从对准到具有不同晶格常数的基板诱导）和带电杂质的存在。基于这种推理，研究人员得出结论，观察到的电子 – 空穴不对称性的主要驱动因素是强电子相关性。

根据ARPES数据，直接测量波段速度（vD）在狄拉克点作为载流子密度的函数（ne）（左）和准粒子寿命，由费米能量（E）归一化的自能量（Im Σ）的虚部表示F）（中），表明电子 – 空穴对称性在石墨烯中近电荷中性（ne= 0）。所谓的精细结构常数α（右）是石墨烯中电荷相关性的量度，并显示出负掺杂水平和正掺杂水平之间的突然跳跃。（图片由研究人员提供）

这些发现开辟了一个有趣的可能性，即电子 – 电子相互作用也可能是扭曲双层石墨烯，类似的相关二维摩尔纹系统和高温铜酸盐超导体中发现的不对称性的原因。

鉴于摩尔纹应变可以用来增强二维异质结构中相关性的强度，研究人员推测，通过摩尔纹增强相关性打破电子 – 空穴不对称可能是一种令人兴奋的替代途径，可以在扭曲的二维异质结构中实现奇异的量子相。