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，扭曲石墨烯解開了石墨烯的超導(dǎo)魔力，進(jìn)一步體現(xiàn)了石墨烯的未來革命性。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“動態(tài)準(zhǔn)晶體”允許研究人員調(diào)整化學(xué)勢，從而使電子系統(tǒng)在低能量時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)性的未來系統(tǒng)中，相互作用現(xiàn)象的流行不僅對準(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解。據(jù)研究人員預(yù)計，通過改變層數(shù)和扭曲角度并使用不同的二維分量，將該平臺擴(kuò)展到設(shè)計準(zhǔn)晶體，將產(chǎn)生一個新的量子材料系列，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)

       通過堆疊具有相對扭轉(zhuǎn)角的原子級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，莫爾材料的研究僅限于包含不超過幾個范德華片的結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為局部于單個二維界面的莫爾圖案無法明顯改變塊體三層材料的性質(zhì)。次元晶體。

       研究人員對通過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)行傳輸測量，發(fā)現(xiàn)莫爾勢改變了整個塊狀石墨薄膜的電子特性。在零磁場和小磁場中，輸運(yùn)是通過門可調(diào)節(jié)的莫爾條紋和石墨表面態(tài)以及對門控不響應(yīng)的共存半金屬體態(tài)的組合來介導(dǎo)的。在高場時，由于石墨兩個最低朗道帶的獨(dú)特性質(zhì)，莫爾勢與石墨體態(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  零場下伯納爾石墨石墨與莫爾石墨的比較。

圖2  低場磁輸運(yùn)和表面局域態(tài)的獨(dú)立門控。

圖3  高場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使用莫爾超晶格在晶格上疊加長波長周期性電勢來設(shè)計二維（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)的超晶格勢來調(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展寬。 

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