近日，南开大学物理科学学院刘智波教授和田建国教授课题组在二维材料光位移光谱研究中取得了重要进展。团队成功利用层间转角精准调控了古斯-汉欣（GH）位移光谱，并在实验上首次直接观测到了大转角的转角双层石墨烯中由电子-空穴不对称性导致的复折射率精细劈裂特征。该研究成果以“Twist-controlled Goos–Hänchen shift and electron–hole asymmetry in bilayer graphene”（双层石墨烯中转角调控古斯-汉欣位移和电子-空穴不对称性）为题，发表于国际光学领域顶级期刊《Optica》上。
转角双层石墨烯通过独特的莫尔超晶格，已成为通过可调莫尔超晶格进行量子态工程研究的优秀平台。通过改变层间转角，可以调控其电子能带结构，并产生范霍夫奇点、关联绝缘态和非常规超导。此前在紧束缚模型预测下，当两层石墨烯之间的转角较大时，其能带中电子-空穴不对称会导致转角双层石墨烯的复折射率发生微小的劈裂。然而传统的光学表征（如光学吸收光谱）由于展宽的存在，很难分辨这种微弱精细能带特征。
图1转角双层石墨烯的古斯-汉欣位移光谱示意图、理论计算结果和实验结果图
研究团队利用层间转角精准调控了基于光束位移放大技术和超连续谱光源激光器搭建的二维材料古斯-汉欣位移光谱，并首次直接在实验上观测到大转角的转角双层石墨烯中由于电子-空穴不对称导致的复折射率精细劈裂特征。测量结果表明，在 10° 至 15° 的转角范围内，该劈裂能级间隔低于 100 meV。这一劈裂大小与转角双层石墨烯的层间距离与层间耦合强度有关。通过实验获取的劈裂能量，成功为紧束缚模型中的层间耦合强度等核心参数提供了关键的实验约束，使未来的微观理论模拟能够更真实地还原实际物理体系。该技术未来可进一步推广至精密测量、生物传感、以及探究其他二维纳米材料中的激子效应、材料各向异性及复杂的层间动力学。
本项工作以南开大学为第一完成单位，南开大学物理科学学院博士研究生屠嘉兴和怀化学院电子信息工程学院黎晓峰为共同第一作者，南开大学刘智波教授、香港城市大学李潇教授和湖南师范大学周新星教授为共同通讯作者，田建国教授对本工作给予了重要指导。相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.601328
编校：刘智波、程丹
审核：任梦昕
