南京大学物理学院于葛亮教授、王雷教授团队在石墨烯自旋轨道耦合的精准调控中取得重要进展

　　【仪表网 研发快讯】 近日，南京大学物理学院于葛亮教授、王雷教授课题组在界面对称性调控量子物态研究方面取得重要进展。研究团队通过调控范德华异质结中的界面近邻效应与量子干涉机制，在WSe2对称封装的单层石墨烯体系中，第一次实现了自旋轨道耦合(SOC)分量的选择性调控。
 

　　通过邻近效应调控范德华异质结中的量子物态，已成为近年来设计具有特定功能材料的重要平台。将具有高载流子迁移率的石墨烯与过渡金属硫族化合物堆叠，可通过界面波函数杂化在石墨烯中引入SOC。然而，这种界面近邻效应通常会同时诱导出具有不同对称性和输运特性的SOC分量。如何通过实验区分并选择性调控SOC分量，进而设计自旋纹理，是实现量子物性精确设计的关键。围绕此问题，研究团队构筑了WSe2对称封装的单层石墨烯超莫尔异质结构。如顶、底两层WSe2在石墨烯两侧形成相干耦合的近邻界面，并产生稳定的超莫尔晶格。
 

　　理论分析表明，在该对称结构设计中，两侧界面诱导的Rashba SOC发生相消干涉，而valley-Zeeman SOC得到相干增强，为实现SOC分量的选择性调控提供了结构基础。随后，研究团队对不同对称性构型的器件开展了低温磁输运测量，系统验证了近邻SOC的诱导与淬灭。如在对称构型的器件D1中，研究团队在约 0.6 T的低磁场下观测到清晰的对称性破缺量子霍尔态。通过进一步分析费米面自旋劈裂的频谱特征，在单层石墨烯体系中提取出约1.68 ± 0.12 meV的有效近邻SOC强度。而当WSe2相对石墨烯的晶轴旋转接近30°时，器件N1恢复单层石墨烯的四重简并特征，表明近邻诱导SOC被有效抑制。
 

　　进一步研究发现，近邻诱导 SOC 的石墨烯中存在一种特殊的朗道能级演化行为。如在低磁场或低填充因子区域，该体系表现为对称性破缺量子霍尔态，其量子化序列对应二重简并。当跨过清晰的朗道能级劈裂的边界后，该体系重新恢复四重简并，并呈现整数与半整数交替出现的量子霍尔序列。不同于本征单层石墨烯，该现象源于固定的valley-Zeeman SOC诱导的朗道能级劈裂与随磁场增强的回旋能级间隔之间的竞争。
 

　　结合实验相图与紧束缚模型计算，研究团队进一步建立了区分并提取不同 SOC 分量的实验方法。如当Rashba SOC为零时，对称性破缺区域的边界会随着valley-Zeeman SOC的增大向更低载流子密度移动。通过进一步通过改变valley-Zeeman与Rashba SOC分量的比例，研究团队发现两类耦合在朗道能级相图中呈现显著不同的对称性特征。
 

　　该工作第一次从实验上验证了范德华异质结中近邻效应的量子干涉机制，在单层石墨烯体系中实现了近邻诱导SOC分量的选择性调控，并通过量子输运测量与紧束缚计算相结合，建立了区分并提取不同SOC分量的有效实验途径。该研究为在二维材料中精确设计自旋纹理、调控谷-自旋耦合以及探索新型拓扑量子物态提供了重要平台。
 

　　该成果以“Tailoring pure valley-Zeeman spin-orbit coupling in WSe2-encapsulated monolayer graphene”为题，于2026年7月8日发表在Physical Review Letters，并被选为编辑推荐。南京大学博士研究生韩亚清、博士后蒋斯奇与博士研究生肖经宽为论文共同第一作者，南京大学于葛亮教授、王雷教授与副研究员杜人君为论文共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金的资助，以及南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省物理科学研究中心的支持。
 

　　引用：物理学院于葛亮教授、王雷教授团队在石墨烯自旋轨道耦合的精准调控中取得重要进展-南京大学【引用时间：2026年7月16日】