玻恩-奧本海默近似（又稱絕熱近似）是凝聚態(tài)物理學中的基本假設之一，它基于電子和離子在質量和運動速度上的巨大差異，假設可以將二者分開處理。然而，當電子運動的能量尺度與離子振動的能量尺度相當時，絕熱近似將不再適用，會產生明顯的非絕熱效應。非絕熱效應的一個重要表現(xiàn)是對聲子能量的重整化，這不僅發(fā)生在布里淵區(qū)中心，而且對遍及布里淵區(qū)整個動量空間的聲子色散均有重要影響。此外，隨著維度的降低，非絕熱效應對聲子色散的重整化愈加明顯。但是，受常規(guī)探測手段的限制，目前對二維材料非絕熱聲子重整化的研究只局限在布里淵區(qū)中心，難以展現(xiàn)非絕熱效應對有限動量下聲子色散的影響。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心SF06組的朱學濤研究員和郭建東研究員長期致力于二維材料/表面元激發(fā)探測和物性研究。利用自主研發(fā)的具有能量-動量二維成像解析能力的高分辨率電子能量損失譜儀（2D-HREELS），課題組近兩年在二維材料聲子色散研究中取得了系列成果：首次在全二維布里淵區(qū)中完整繪制石墨烯的三維聲子譜，直接觀測到石墨烯的拓撲聲子[Phys. Rev. Lett. 131,116602 (2023)]；系統(tǒng)研究了單層hBN的拓撲聲子，并與石墨烯的拓撲特性進行了比較[Chin. Phys. Lett. 42 027405 (2025)]；觀測到二維極性材料LO-TO劈裂的失效和LO聲子的奇異色散行為[Nat Commun 15,1938 (2024)]等。

最近，朱學濤研究員和郭建東研究員指導博士生李佳德（已畢業(yè)），與超快物質科學中心廉超副研究員和北京大學彭海琳教授團隊合作，系統(tǒng)研究了單層和Bernal雙層石墨烯中非絕熱效應對聲子色散的重整化。他們在整個布里淵區(qū)測量了單層和雙層石墨烯的聲子色散譜（圖（a）和（b））。高能量和動量分辨率的數(shù)據(jù)揭示，在布里淵區(qū)中心附近，單層石墨烯的縱向光學（LO）聲子具有“W”形的色散行為，而雙層石墨烯則展現(xiàn)出“V”形色散（圖（c）和（d））。這些都與常規(guī)的“U”形拋物線聲子色散存在顯著差異。結合理論計算，他們證明了這些異常的聲子色散起源于非絕熱電子 - 聲子耦合對聲子色散的重整化（圖（e）和（f））。進一步的理論分析表明，在石墨烯中觀察到的結果對摻雜二維材料具有普適性。對單層和雙層石墨烯的比較研究為摻雜二維系統(tǒng)中非絕熱效應對聲子色散的影響提供了統(tǒng)一的理解框架。

(a),(b) 單層和雙層石墨烯的聲子色散；(c),(d) LO聲子的非絕熱色散；(e),(f) 考慮非絕熱電子-聲子耦合的LO聲子色散的計算結果。

這項工作以“Nonadiabatic Renormalization of the Phonon Dispersion in Monolayer and Bilayer Graphene”為題發(fā)表于Phys. Rev. Lett. 135,026204 (2025)，并被選為編輯推薦（Editors’Suggestions）。物理所李佳德和北京大學唐際琳博士為該論文共同第一作者，朱學濤研究員、郭建東研究員、廉超副研究員和北京大學彭海琳教授為共同通訊作者，北京大學高鵬教授團隊參與了該工作的討論。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金，中國科學院戰(zhàn)略先導（B）計劃，中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃以及國家資助博士后研究人員計劃的資助。

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