研究快讯 | 二硒化钨封装双层石墨烯中朗道能级交叉处的电荷激发

论文亮点

本工作在二硒化钨（WSe₂）封装的双层石墨烯中，利用垂直电位移场对最低朗道能级的纯谷自由度交叉进行精确调控。输运实验显示，在能级简并点处仍存在有限的激活能隙，且该能隙的电位移场依赖显著偏离单粒子模型；作者进一步系统揭示了能隙随电位移场与磁场的演化规律，指向由多体相互作用主导的斯格明子（skyrmions）电荷激发。该结果提供了双层石墨烯中斯格明子激发的输运实验视角，也为多分量量子霍尔铁磁体（quantum Hall ferromagnetic）与赝自旋纹理（pseudospin texture）的研究提供了参考。

图文摘要

二硒化钨封装双层石墨烯中的电输运测量

左上：双栅极WSe₂/BLG/ WSe₂器件结构示意图，其中WSe₂直接作为器件的介电层，增强了器件的屏蔽能力。

左下：引入近邻诱导自旋轨道耦合的双层石墨烯连续模型（continuum model）能谱示意。最低朗道能级的八重简并在外加磁场下被完全劈裂，并在电位移场可连续调控下形成一系列朗道能级交叉；其中填充因子为±3的朗道能级交叉仅涉及谷自由度翻转，自旋与轨道量子数保持不变。

右上：填充数为3的朗道能级交叉处纵向电阻R_xx随温度的变化。

右下：利用Arrhenius分析提取出的填充数为3的朗道能级交叉附近的激活能隙及其随磁场的演化。激活能隙在简并点存在有限值不闭合，并且在交叉附近增长显著大于单粒子图像给出的谷劈裂能（图中的灰色虚线）。随着磁场减小，简并处的能隙逐渐减小，能隙随电位移场增加的斜率也逐渐变小。结合斯格明子激发的理论框架，橙色线段指示了斯格明子激发，其斜率表征了斯格明子尺寸；绿色线段指示随着谷劈裂能的增加，电荷激发回到了单粒子图像。

研究背景

在后摩尔时代，自旋与谷等内部自由度被认为是实现低功耗信息存储与逻辑器件的重要物理基础，自旋电子学和谷电子学因此受到广泛关注。作为潜在信息载体，斯格明子因其拓扑保护、小尺度以及可通过电流和电场操控，被视为新一代自旋器件和存储单元的核心候选激发。量子霍尔铁磁体为研究斯格明子提供了高度可控的理想平台，相关的输运结果已在GaAs、AlAs等体系中得到系统研究。相比于传统的半导体二维电子气体系，双层石墨烯同时具备自旋、谷、轨道自由度，同时可以通过电位移场连续调控谷极化，为实现与操纵谷相关拓扑激发（如谷斯格明子）及其潜在器件物理提供了新的可能性。

内容简介

研究团队制备了双栅极WSe₂/BLG/ WSe₂器件，对载流子浓度和垂直电位移场进行独立调控，在纯谷自由度翻转主导的朗道能级交叉附近测量了纵向电阻的温度依赖。通过Arrhenius分析提取能级交叉处的激活能隙，发现该能隙在简并点不闭合，并在交叉附近随电位移场快速增长，显著偏离仅由谷劈裂能决定的单粒子图像。结合量子霍尔铁磁体中斯格明子激发的输运理论框架，作者将上述现象归因于多谷翻转的谷斯格明子电荷激发，并进一步研究了其尺寸和行为对于磁场的依赖；同时还扩展研究了谷–轨道与谷–自旋纠缠赝自旋（entangled pseudospin）交叉情形下的电荷激发特征。

总结与展望

该工作在电位移场可控的双层石墨烯体系中，首次基于输运实验给出了谷斯格明子作为量子霍尔铁磁体基本电荷激发的证据，为理解整数量子霍尔体系中的多体相互作用与集体激发提供了新的视角。研究同时表明，范德华异质结不仅能够调控单粒子能谱，还可在相互作用主导的量子霍尔体系中实现对多体拓扑激发的工程化设计，为多分量量子霍尔铁磁体与谷电子学相关器件的研究与实现提供了可行的物理路径与实验平台。

原文信息

Charge Excitations at Landau Level Crossings in WSe₂-Encapsulated Bilayer Graphene

朱禹宣，厉哲成，徐轶轩，凌玉融，林子骏，陈志谋，刘钊，付海龙，林熙

Chin. Phys. Lett. 43 020714 (2026)  Express letter

DOI: 10.1088/0256-307X/43/2/020714