石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在物理學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)藥、能源等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。2020年，扭曲石墨烯解開(kāi)了石墨烯的超導(dǎo)魔力，進(jìn)一步體現(xiàn)了石墨烯的未來(lái)革命性。7月19日，Nature雜志在線發(fā)表了3篇與石墨烯相關(guān)的重磅論文。

       01  可調(diào)諧莫爾準(zhǔn)晶中的超導(dǎo)性和強(qiáng)相互作用

       準(zhǔn)晶體中的電子態(tài)通常無(wú)法進(jìn)行布洛赫描述，使它們變得迷人而神秘。由于它們的復(fù)雜性和稀缺性，相對(duì)于周期性和非晶結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)晶體尚未得到充分的研究。

       該研究介紹了一種由周期元件組裝而成的新型高可調(diào)諧準(zhǔn)晶體。通過(guò)以兩種不同的扭轉(zhuǎn)角度扭曲三層石墨烯，形成了兩種互不相稱的莫爾圖案。與許多常見(jiàn)的原子尺度準(zhǔn)晶體不同，該系統(tǒng)的準(zhǔn)周期性是在幾納米的莫氏尺度上定義的。這種“動(dòng)態(tài)準(zhǔn)晶體”允許研究人員調(diào)整化學(xué)勢(shì)，從而使電子系統(tǒng)在低能量時(shí)處于類似周期性的狀態(tài)。

       值得注意的是，在準(zhǔn)周期體系中，研究人員觀察到味道對(duì)稱性破缺相變附近的超導(dǎo)性，后者表明了電子相互作用在該體系中發(fā)揮的重要作用。在原位可調(diào)性的未來(lái)系統(tǒng)中，相互作用現(xiàn)象的流行不僅對(duì)準(zhǔn)周期性系統(tǒng)的研究有用，而且還可以為相關(guān)周期性莫爾晶體的電子有序提供見(jiàn)解。據(jù)研究人員預(yù)計(jì)，通過(guò)改變層數(shù)和扭曲角度并使用不同的二維分量，將該平臺(tái)擴(kuò)展到設(shè)計(jì)準(zhǔn)晶體，將產(chǎn)生一個(gè)新的量子材料系列，以研究強(qiáng)相互作用的準(zhǔn)晶體性質(zhì)。

圖1  莫爾準(zhǔn)周期性。

圖2  雙角扭曲三層石墨烯中動(dòng)態(tài)準(zhǔn)晶的實(shí)現(xiàn)。

圖3  莫爾準(zhǔn)周期性的結(jié)果。

圖4  強(qiáng)電子相互作用和超導(dǎo)性。

       DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06294-z

       02  扭曲石墨薄膜的混合維莫爾條紋系統(tǒng)

       通過(guò)堆疊具有相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的原子級(jí)薄范德華晶體形成的莫爾圖案可以產(chǎn)生顯著的新物理特性。迄今為止，莫爾材料的研究?jī)H限于包含不超過(guò)幾個(gè)范德華片的結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為局部于單個(gè)二維界面的莫爾圖案無(wú)法明顯改變塊體三層材料的性質(zhì)。次元晶體。

       研究人員對(duì)通過(guò)在薄的塊狀石墨晶體頂部稍微旋轉(zhuǎn)單層石墨烯片而構(gòu)建的雙門器件進(jìn)行傳輸測(cè)量，發(fā)現(xiàn)莫爾勢(shì)改變了整個(gè)塊狀石墨薄膜的電子特性。在零磁場(chǎng)和小磁場(chǎng)中，輸運(yùn)是通過(guò)門可調(diào)節(jié)的莫爾條紋和石墨表面態(tài)以及對(duì)門控不響應(yīng)的共存半金屬體態(tài)的組合來(lái)介導(dǎo)的。在高場(chǎng)時(shí)，由于石墨兩個(gè)最低朗道帶的獨(dú)特性質(zhì)，莫爾勢(shì)與石墨體態(tài)混合。這些朗道帶有助于形成單一的準(zhǔn)二維混合結(jié)構(gòu)，其中莫爾條紋和塊狀石墨態(tài)不可避免地混合在一起。該研究結(jié)果表明，扭曲石墨烯-石墨是新型混合維莫爾材料中的第一種。

圖1  零場(chǎng)下伯納爾石墨石墨與莫爾石墨的比較。

圖2  低場(chǎng)磁輸運(yùn)和表面局域態(tài)的獨(dú)立門控。

圖3  高場(chǎng)下莫爾條紋和塊狀石墨態(tài)的雜化。

圖4  不同厚度和扭轉(zhuǎn)角石墨薄膜的莫爾改性。

DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06290-3

       03 石墨中莫爾表面態(tài)和體態(tài)的混合

       范德華組裝通常通過(guò)使用莫爾超晶格在晶格上疊加長(zhǎng)波長(zhǎng)周期性電勢(shì)來(lái)設(shè)計(jì)二維（2D）材料中的電子態(tài)。這種扭轉(zhuǎn)電子學(xué)方法已經(jīng)產(chǎn)生了許多以前未描述的物理現(xiàn)象，包括扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中的強(qiáng)相關(guān)性和超導(dǎo)性，共振激子，過(guò)渡金屬硫?qū)倩镌萍y結(jié)構(gòu)中的電荷排序和維格納結(jié)晶以及霍夫施塔特的蝴蝶光譜和石墨烯超晶格中的 Brown-Zak 量子振蕩。此外，雙電子學(xué)已被用來(lái)改變范德華晶體之間界面的近表面態(tài)。

       該研究表明表明，三維(3D）晶體（例如石墨）中的電子態(tài)可以通過(guò)與另一種晶體（即晶體學(xué)排列的六方氮化硼）界面處出現(xiàn)的超晶格勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)。這種排列導(dǎo)致了近表面態(tài)產(chǎn)生的幾次利夫席茲躍遷和布朗-扎克振蕩，而在高磁場(chǎng)中，霍夫施塔特蝴蝶的分形態(tài)深入到石墨塊中。該研究展示了一種使用 2D 扭轉(zhuǎn)電子學(xué)方法控制 3D 光譜的方法。提供了探索由于表面超晶格將其影響深入到大量 3D 電子系統(tǒng)而產(chǎn)生的混合維度效應(yīng)的可能性。

圖1  石墨-六方氮化硼界面處的莫爾超晶格。

圖 2  石墨-六方氮化硼界面表面態(tài)引起的Brown - Zak 振蕩。

圖 3  石墨中的分形 2.5D 量子霍爾效應(yīng)。

圖4  石墨中霍夫施塔特能級(jí)展寬。 

DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06264-5