北师大何林课题组利用STM实现对石墨烯中单个碳空位缺陷谷间散射的探测和调控

石墨烯中单原子缺陷可以使准粒子在石墨烯手性不同的两个谷之间发生弹性散射，即谷间散射。缺陷的谷间散射会显著影响石墨烯的输运特性，对理解其电学性质至关重要。早期大量的输运实验对这一问题进行了深入研究，报道了很多看似矛盾的输运现象，例如，弱局域化和弱反局域化现象、电子-空穴对称态和不对称态等。这些看似矛盾的输运现象被归因于石墨烯中缺陷引起的谷间散射的差异。然而，输运实验的研究对象是包含大量缺陷的石墨烯样品，如何理解缺陷诱导的谷间散射导致这些截然不同的输运现象是亟待解决的科学难题。基于此，何林课题组利用扫描隧道显微镜(STM)在原子尺度上实现了对石墨烯中单个碳原子空位缺陷谷间散射的探测和调控研究。他们发现，石墨烯中单原子缺陷引起的谷间散射影响范围与石墨烯中无质量狄拉克费米子的波长成正比。通过对单原子缺陷可控地充放电，他们发现随着缺陷带电量的增加，其引起散射势的尺寸逐渐变大，能极大地抑制谷间散射的强度和影响范围。与此同时，他们也发现带电的缺陷能导致明显的电子-空穴不对称的谷间散射。上述结果在单个碳原子空位缺陷的极限下实现了对谷间散射的探测和调控，为统一自洽地理解前期看似矛盾的输运实验现象提供了微观证据。

图1 利用STM实现对石墨烯中单个碳空位缺陷谷间散射的探测和调控。e图的结果显示单原子缺陷引起的谷间散射影响范围与石墨烯中无质量狄拉克费米子的波长成正比。 

相关成果近日以“Characterization and Manipulation of Intervalley Scattering Induced by an Individual Monovacancy in Graphene”为题刊发在《Physical Review Letters》上 ^[1]。何林教授课题组的张钰博士(现为北京理工大学副教授)为文章的第一作者，丹麦技术大学的高飞博士为该工作提供了理论计算，为共同第一作者，北京理工大学的张钰副教授和北京师范大学的何林教授为通讯作者。参与这个工作的还包括丹麦技术大学的M. Brandbyge教授和北京计算科学研究中心的高世武教授。

石墨烯中的电子具有自旋和谷赝自旋等多重自由度。通过引入单原子缺陷，可以在石墨烯中实现基于自旋和赝自旋自由度的一系列新奇量子物态。何林教授课题组过去几年在相关方向取得了一系列成果。例如，他们利用STM证实石墨烯中的单原子缺陷存在局域自旋磁矩 ^[2]，并在原子尺度上实现了对磁矩的调控 ^[3]；指出石墨烯中的单原子缺陷可以等效为原子尺度的子格赝自旋涡旋 ^[4]，并将赝自旋在涡旋的绕数与石墨烯的Berry相位巧妙地结合，提出在零磁场下测量石墨烯体系Berry相位的普适方法 ^[5]。上述工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中国博士后科学基金、以及北京师范大学和北京理工大学的经费支持。

1. Yu Zhang, Fei Gao, Shiwu Gao, Mads Brandbyge, Lin He, Characterization and Manipulation of Intervalley Scattering Induced by an Individual Monovacancy in Graphene. Phys. Rev. Lett. 129, 096402 (2022).

2. Yu Zhang, Siyu Li, Huaqing Huang, Wentian Li, Jiabin Qiao, Wenxiao Wang, Longjing Yin, Keke Bai, Wenhui Duan, Lin He, Scanning Tunneling Microscopy of the π Magnetism of a Single Carbon Vacancy in Graphene. Phys. Rev. Lett. 117, 166801 (2016).

3. Yu Zhang, Fei Gao, Shiwu Gao, Lin He, Tunable magnetism of a single-carbon vacancy in graphene. Sci. Bull. 65, 194 (2020).

4. Yu Zhang, Ying Su, Lin He, Quantum interferences of pseudospin-mediated atomic-scale vortices in monolayer graphene. Nano Lett. 21, 2526 (2021).

5. Yu Zhang, Ying Su, Lin He, Local Berry phase signatures of bilayer graphene in intervalley quantum interference. Phys. Rev. Lett. 125, 116804 (2020).