莫尔超晶格层间耦合调控电子特性和拓扑超导行为的理论研究

Van der Waals (vdW) materials with weak interlayer vdW interaction, can be formed by vertically-stacked two dimensional atomic crystals. Incommensurate bilayers with twisting and/or lattice mismatch lead to the moiré superlattices, in which the electronic band structure is changed, inducing new quantum phenomenon, such as the discovery of the unconventional correlated insulating and superconducting states in graphene moiré superlattices. Twist angle and interlayer coupling are the two key factors to determinate the low-energy electronic properties. However, there is no systematic study on how the twist angle and interlayer coupling distribution affect the electron structure and what special effects are produced on the topological properties and quantum transport processes. In this project, we will study the novel quantum phenomena induced by interlayer coupling in moiré superlattices, such as topological superconductivity, electronic correlated and quantum transport. There are mainly three problems in this project: (1) Interlayer coupling controlled topological superconductivity in graphene/MX2（M=W, Mo; X=S）moiré superlattices; (2) Interlayer coupling induced magnetic behaviors in twisted bilayer graphene; (3) Inhomogeneous interlayer coupling induced quantum transport properties in moiré superlattice systems.

范德瓦尔斯材料可以由二维材料堆叠组成，材料中层与层之间依靠范德瓦尔斯力结合在一起。堆叠过程中的晶格失配或者角度旋转会产生莫尔超晶格。莫尔超晶格可以调制材料的电子能带结构，从而产生新的量子现象，比如最近在石墨烯超晶格系统中发现的非传统超导和莫特绝缘体态。人们普遍认为二维材料之间的旋转方向和层间耦合是决定层状体系电子性质的两个关键因素，但是旋转角度和层间耦合分布如何影响电子结构，对拓扑性质和量子输运过程产生什么特殊的效应，至今尚无系统研究。本项目拟研究莫尔超晶格体系中层间耦合调制拓扑超导、电子关联和量子输运等现象，主要包含以下三个具体问题：（1）层间耦合调控石墨烯/MX2异质结中的拓扑超导行为。（2）旋转石墨烯中层间耦合分布对低能电子特性和磁性的影响。（3）层间耦合对莫尔超晶格体系中电子输运行为的改变。

莫尔超晶格可以调制材料的电子能带结构，从而产生新的量子现象，比如最近在石墨烯超晶格系统中发现的非传统超导和莫特绝缘体态。本项目研究了莫尔超晶格层间耦合调控电子特性和拓扑超导行为，包括石墨莫尔超晶格和石墨烯/过渡金属硫化物莫尔超晶格。在旋转双层石墨烯纳米带体系中，层间旋转产生莫尔超晶格，层间耦合的非均匀分布打破了石墨烯纳米带两个边缘态的能量简并；在自旋—轨道耦合、外磁场和超导配对的共同作用下，石墨烯纳米带的一条边界进入拓扑超导相，边界两端出现一对马约拉纳零能模；利用位错、单轴压力改变层间耦合分布，使得一维马约拉纳零能模在两个边界上来回传输，为拓扑量子器件提供潜在的应用平台。其次，该项目还研究了石墨烯/过渡金属硫化物莫尔超晶格体系中的自旋-轨道耦合近邻效应和马约拉纳零能模。通过引入缺陷、纳米带边缘直接耦合和层间旋转这三个手段来打破石墨烯纳米带/过渡金属硫化物体系中的体反演对称性，使石墨烯纳米带中的自旋—轨道耦合强度分别增强30倍、20倍及150倍。自旋-轨道耦合增强后的石墨烯纳米带与s-波超导耦合并引入外磁场，马约拉纳零能模态会出现在石墨烯纳米带两端，为认识马约拉纳零能模并控制多个马约拉纳零能模的传输提供了一个良好的实验平台。进一步，我们还讨论了莫尔超晶格层间耦合对磁性和输运行为的影响。此外，我们研究了拓扑超导—量子点体系中的近藤效应、第二类Ising超导中磁性杂质的近藤屏蔽问题。在本项目的支持下我们还研究了拓扑超导体系中的非厄密效应，构造了非厄密拓扑不变量表征非厄密拓扑超导相，建立了非厄密准晶体系中拓扑相变和安德森局域化之间的物理联系，认识了非厄密系统中一系列新奇的物理现象。