近日，浙江师范大学物理与电子信息工程学院陈华教授与北京理工大学、电子科技大学、吉林大学多个研究团队合作在石墨烯量子物态研究方面取得突破。研究利用扫描隧道显微镜首次在真实空间中直接观察到石墨烯中一维晶界诱导的Kekulé螺旋序，并揭示了底层的谷间相干态机理及其空间相位缠绕结构。相关成果以“Imaging Kekulé spiral order in graphene”为题，于4月13日在线发表于国际物理学期刊《物理评论快报》Phys. Rev. Lett. 136, 156401，并被期刊遴选为编辑推荐。

石墨烯是由单层碳原子构成的二维材料，其低能激发态可描述为无质量的手性狄拉克费米子。Kekulé序（碳-碳键长的周期性调制）本质上是一种谷间相干态，连接了石墨烯中两个不等价的狄拉克谷（K和K‘点），为研究谷电子学提供了重要平台。然而，在真实空间中直接观测Kekulé键纹理，尤其是研究其在一维晶界附近的行为，一直是实验上的难点。

图：Kekulé螺旋序的实空间成像与相位提取。(a) 典型的谱学成像图，叠加的红色箭头表示从实验数据中提取的方位角，显示了相位在空间中的涡旋状变化；(b) 同位旋布洛赫球示意图；(c) 不同方位角下模拟的电荷密度分布；(d) 对应的Kekulé键序示意图。

在本工作中，研究团队聚焦石墨烯存在的一维扶手椅型倾斜晶界，通过高分辨扫描隧道显微镜和谱学成像技术，首次在原子尺度上直接观察到了该晶界附近Kekulé序的键纹理。实验表明晶界中交替出现的五元环-七元环结构局部破坏了石墨烯的子晶格对称性，诱导出表现为（√3×√3）R30°超晶格调制的Kekulé序。更重要的是，在晶界附近，Kekulé键纹理呈现出复杂的空间相位缠绕特征，即Kekulé螺旋序。这是首次在一维石墨烯结构中实验观察到该类拓扑物态。进一步发现，当石墨烯受到下层石墨烯产生的摩尔超晶格周期性势场影响时，Kekulé序的强度会显著降低，表明外部势场可有效调控该量子物态。此外，Kekulé序的相位以约2.2°/meV的速率逆时针旋转，揭示了其丰富的能量依赖特性。

该工作在石墨烯中观测到的Kekulé螺旋序，为理解手性对称破缺与谷间相干态提供了直观的实验依据，揭示了一维拓扑缺陷作为构建谷有序相的功能单元潜力，为未来谷电子学器件的设计与调控提供了新思路。

该论文的共同第一作者为北京理工大学博士生张璨、浙师大物电学院陈华教授和电子科技大学苏赢教授。共同通讯作者为北京理工大学王业亮教授、北京理工大学张钰副教授和吉林大学张立军教授。

陈华教授课题组近年来在谷间相干态的理论研究方面取得了一系列成果。近期，该课题揭示了笼目晶格中谷间相干狄拉克费米子的拓扑特性（Phys. Rev. B 2025, 112, 075117），以快报形式发表发表成果揭示了蜂窝晶格p轨道体系中由谷间相干性支持的Kekulé轨道序的底层物理机理（Phys. Rev. B 112, L161105）（被期刊遴选为编辑推荐）。上述工作从晶格几何和轨道两个维度，系统地深化了对谷间相干态的理解。

陈华教授是浙江师范大学物理与电子信息工程学院教授，长期从事凝聚态理论研究，聚焦拓扑物态与关联电子体系等前沿方向。课题组研究受国家自然科学基金面上项目、浙江省自然科学基金重点项目支持，在国际物理学期刊Physical Review Letters、Physical Review B等发表一系列研究成果。

编辑：武艳