石墨烯具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在物理學、材料學、生物醫(yī)藥、能源等方面具有廣泛的應用前景。2020年，扭曲石墨烯解開了石墨烯的超導魔力，進一步體現(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篇與石墨烯相關的重磅論文。

       01  可調(diào)諧莫爾準晶中的超導性和強相互作用

       準晶體中的電子態(tài)通常無法進行布洛赫描述，使它們變得迷人而神秘。由于它們的復雜性和稀缺性，相對于周期性和非晶結構，準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)諧準晶體。通過以兩種不同的扭轉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晶體不同，該系統(tǒng)的準周期性是在幾納米的莫氏尺度上定義的。這種“動態(tài)準晶體”允許研究人員調(diào)整化學勢，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)象的流行不僅對準周期性系統(tǒng)的研究有用，而且還可以為相關周期性莫爾晶體的電子有序提供見解。據(jù)研究人員預計，通過改變層數(shù)和扭曲角度并使用不同的二維分量，將該平臺擴展到設計準晶體，將產(chǎn)生一個新的量子材料系列，以研究強相互作用的準晶體性質(zhì)。

圖1  莫爾準周期性。

圖2  雙角扭曲三層石墨烯中動態(tài)準晶的實現(xiàn)。

圖3  莫爾準周期性的結果。

圖4  強電子相互作用和超導性。

       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構，因為通常認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單層石墨烯片而構建的雙門器件進行傳輸測量，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)以及對門控不響應的共存半金屬體態(tài)的組合來介導的。在高場時，由于石墨兩個最低朗道帶的獨特性質(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二維混合結構，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  低場磁輸運和表面局域態(tài)的獨立門控。

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計二維（2D）材料中的電子態(tài)。這種扭轉電子學方法已經(jīng)產(chǎn)生了許多以前未描述的物理現(xiàn)象，包括扭轉雙層石墨烯中的強相關性和超導性，共振激子，過渡金屬硫?qū)倩镌萍y結構中的電荷排序和維格納結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 扭轉電子學方法控制 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。

圖4  石墨中霍夫施塔特能級展寬。 

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