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石墨，一種自然界中豐富的碳同素異形體，以其層狀結(jié)構(gòu)為科學(xué)界所熟知，而更為神奇的是其單層構(gòu)造——石墨烯。天才少年曹原，對于石墨烯的研究幾乎達(dá)到了無人能敵的地步，他的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)在物理領(lǐng)域引起了軒然大波。

從石墨，到石墨烯，再到石墨炔……似乎，這個(gè)隨處可見的材料，并沒有那么簡單，它更像是一個(gè)無盡的寶藏，等待人們一點(diǎn)一點(diǎn)的向世人展示……

無巧不成書！2023年07年20日，同一期的Nature上驚現(xiàn)三篇與“石墨”相關(guān)的研究，且待我們細(xì)細(xì)品味。且看，從石墨，到雙層石墨烯，再到三層石墨烯的“華麗轉(zhuǎn)身”。

1. 石墨中莫氏表面態(tài)和塊狀態(tài)的混合

范德華組裝，使二維(2D)材料中的電子態(tài)設(shè)計(jì)成為可能，通常是通過使用莫爾維爾超晶格，在晶格上疊加長波周期勢。

這種扭轉(zhuǎn)電子學(xué)方法，已經(jīng)獲得了許多以前未描述的物理現(xiàn)象，包括扭曲雙層石墨烯中的強(qiáng)相關(guān)性和超導(dǎo)性，共振激子，過渡金屬硫系莫爾結(jié)構(gòu)中的電荷有序和Wigner結(jié)晶，以及石墨烯超晶格中的霍夫施塔特蝴蝶光譜和布朗-扎克量子振蕩。此外，雙旋電子學(xué)已被用于改變范德華晶體之間界面的近表面狀態(tài)。

在此，來自南京航空航天大學(xué)的殷俊&英國曼切斯特大學(xué)的Vladimir I. Fal’ko & Artem Mishchenko等研究者展示了三維(3D)晶體(如石墨)中的電子態(tài)，可以通過與另一晶體(即晶體學(xué)上排列的六方氮化硼)界面上發(fā)生的超晶格勢來調(diào)節(jié)。這種排列導(dǎo)致了幾個(gè)Lifshitz躍遷和近表面狀態(tài)引起的布朗-扎克振蕩，然而，在高磁場中，霍夫施塔特蝴蝶的分形狀態(tài)深入到石墨的大塊中。

該工作展示了一種方法，即3D光譜可以使用二維渦旋電子學(xué)的方法來控制。相關(guān)論文以題為“Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite”于2023年07月19日發(fā)表在Nature上。

圖1. 墨- hBN界面上的莫爾超晶格

圖2. 石墨- hBN界面表面態(tài)引起的Brown-Zak 振蕩

圖3. 石墨中的分形2.5D QHE態(tài)

圖4. 石墨的霍夫施塔特能級展寬

2. 扭曲石墨薄膜的混合-維莫爾系統(tǒng)

將具有相對扭轉(zhuǎn)角的原子薄范德華晶體，堆疊形成的莫爾條紋，可以產(chǎn)生顯著的新物理性質(zhì)。迄今為止，對莫爾條紋材料的研究僅限于由不超過幾片范德華片組成的結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為局限于單個(gè)二維界面的莫爾條紋不能明顯地改變大塊三維晶體的性質(zhì)。

在此，來自美國華盛頓大學(xué)的Matthew Yankowitz等研究者對雙門控器件進(jìn)行了輸運(yùn)測量，該器件是通過在薄塊石墨晶體上略微旋轉(zhuǎn)單層石墨烯片來構(gòu)建的。研究者發(fā)現(xiàn)莫爾勢改變了整個(gè)石墨薄膜的電子特性。

在零磁場和小磁場中，輸運(yùn)是由柵極可調(diào)諧的莫爾和石墨表面態(tài)的組合介導(dǎo)的，以及共存的半金屬體態(tài)，它們對柵極沒有反應(yīng)。在高場下，由于石墨的兩個(gè)最低朗道帶的獨(dú)特性質(zhì)，石墨的莫爾勢與石墨體態(tài)發(fā)生雜化。

這些朗道帶有助于形成單一的準(zhǔn)二維雜化結(jié)構(gòu)，在這種雜化結(jié)構(gòu)中，莫爾態(tài)和塊狀石墨態(tài)不可避免地混合在一起。研究者的研究結(jié)果確立了扭曲石墨烯-石墨作為一類新的混合維莫爾材料中的第一種。

相關(guān)論文以題為“Mixed-dimensional moiré systems of twisted graphitic thin films”于2023年07月19日發(fā)表在Nature上。

圖1. 零場條件下Bernal和莫爾石墨的比較

圖2. 低場磁輸運(yùn)和表面局域態(tài)的獨(dú)立門控

圖3. 高場下莫爾態(tài)和塊狀石墨的雜化

圖4. 不同厚度和扭角石墨薄膜的莫爾改性

3. 在可調(diào)諧的莫爾準(zhǔn)晶體中超導(dǎo)電性和強(qiáng)相互作用

準(zhǔn)晶體中的電子狀態(tài)，通常排除了布洛赫描述，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。

在此，來自美國麻省理工學(xué)院的Aviram Uri & Sergio C. de la Barrera & Pablo Jarillo-Herrero等研究者介紹了一種易于由周期元件組裝而成的高可調(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，研究者獲得了兩種相互不相稱的莫爾圖案。與許多普通的原子尺度準(zhǔn)晶體不同，研究者的系統(tǒng)的準(zhǔn)周期性是在幾個(gè)納米的莫爾長度尺度上定義的。

這種“莫爾系準(zhǔn)晶體”使研究者能夠調(diào)整化學(xué)勢，從而使電子系統(tǒng)在低能量的類周期狀態(tài)和高能量的強(qiáng)準(zhǔn)周期狀態(tài)之間進(jìn)行調(diào)整，后者擁有大密度的弱色散狀態(tài)。

值得注意的是，在準(zhǔn)周期體系中，研究者觀察到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。在具有原位可調(diào)性的未來系統(tǒng)中，相互作用現(xiàn)象的流行不僅對準(zhǔn)周期系統(tǒng)的研究有用，而且可以為相關(guān)周期莫爾晶格的電子有序提供見解。

研究者預(yù)計(jì)，通過改變層數(shù)和扭曲角度，以及使用不同的二維分量，將這個(gè)平臺(tái)擴(kuò)展到工程準(zhǔn)晶體，將導(dǎo)致一個(gè)新的量子材料家族來研究強(qiáng)相互作用準(zhǔn)晶體的性質(zhì)。

相關(guān)論文以題為“Superconductivity and strong interactions in a tunable moiré quasicrystal”于2023年07月19日發(fā)表在Nature上。

圖1. 莫爾準(zhǔn)周期性

圖2. 雙角TTG中莫爾準(zhǔn)晶的實(shí)現(xiàn)

圖3. 莫爾準(zhǔn)周期性的結(jié)果

圖3. 強(qiáng)電子相互作用和超導(dǎo)性

文獻(xiàn)信息

Mullan, C., Slizovskiy, S., Yin, J.?et al.?Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite.?Nature?(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06264-5

Waters, D., Thompson, E., Arreguin-Martinez, E.?et al.?Mixed-dimensional moiré systems of twisted graphitic thin films.?Nature?(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06290-3

Uri, A., de la Barrera, S.C., Randeria, M.T.?et al.?Superconductivity and strong interactions in a tunable moiré quasicrystal.?Nature?(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06294-z

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06264-5

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06290-3

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06294-z

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