石墨烯堆疊的2D系統(tǒng)的外部極限

近年來，通過將兩片稍微歪斜的石墨烯堆疊在一起，產(chǎn)生了非凡的物理現(xiàn)象，包括可調(diào)超導性、量子記憶，以及涉及“水坑”電子團的奇怪的新物質(zhì)狀態(tài) —— 該現(xiàn)象出現(xiàn)在兩張紙中六邊形圖案之間的“扭曲”角小到1.1度。由此，所謂的扭曲雙層石墨烯的技術應用開始映入眼簾，神秘的熱、光學、電子、材料和其他特性正等待開發(fā)。

現(xiàn)在，美國和英國的科學家已經(jīng)開始探索這些堆疊的2D系統(tǒng)的外部極限：如果這些雙層的現(xiàn)象中只有一層是一個原子厚呢？在雙層魔法消失之前，可以在主體中添加多少層？令這些研究人員驚訝的是，即使在厚的三維石墨堆中，一些雙層特性仍然存在。

英國曼徹斯特大學理論物理學教授Vladimir Falko說：“一段時間以來，人們普遍認為……如果它是一種有很多層的金屬，它的行為就像是三維的。在如此厚的石墨膜中，可以看到二維行為，這是非常不尋常的。”

為了理解薄層量子行為的局限性，華盛頓大學和曼徹斯特大學的研究團隊分別創(chuàng)建了兩個略有不同的設置。華盛頓大學的研究小組在一個厚石墨堆的頂部有一層石墨烯，以一個微小的角度扭曲。曼徹斯特大學的研究小組使用了類似的石墨堆，但在上面覆蓋了一層二維片狀氮化硼。

這兩種方法在其堆疊的頂部兩層之間創(chuàng)建了相同的結(jié)構(gòu)，即所謂的莫爾超晶格。它被稱為超晶格，因為兩層之間的不匹配角度為系統(tǒng)添加了新的莫爾條紋狀圖案。對于扭曲的石墨烯頂層，失配來自于每個片的六邊形單元之間的扭曲角，而對于氮化硼頂層，失配來自于氮化硼和下面石墨的晶格間距略有不同。

當受到強磁場時，莫爾超晶格由于晶格間距的大幅增加而發(fā)生顯著的轉(zhuǎn)變。在這種情況下，一個明顯更大的磁通量可以進一步改變材料本已奇怪的特性。隨著電場的調(diào)諧，薄板的電導率會周期性地振蕩，這種現(xiàn)象被稱為Brown-Zak振蕩。

研究人員沒有想到他們的頂部有一個莫爾超晶格層的厚石墨烯堆疊會表現(xiàn)出任何這樣的效果。畢竟，如上所述的現(xiàn)象僅在一對（或小陣列）2D片材彼此疊置的情況下觀察到。一塊3D石墨完全是新的領域。研究小組完全有理由懷疑這些奇怪的量子行為在系統(tǒng)中根本看不到。盡管如此，當他們調(diào)整磁場時，研究人員觀察到整個疊層的電導率發(fā)生了振蕩——這是二維莫爾材料特有的Brown-Zak振蕩。

華盛頓大學的負責人Matthew Yankowitz說：“如果你有18層石墨，而你只將其中一層扭曲1度，你就不會真正對材料進行很大的結(jié)構(gòu)改變。但整個石墨堆基本上表現(xiàn)得像一種莫爾材料，盡管它是一種三維材料。所以，我認為，這是一種時髦的新見解。”

雖然在二維莫爾超晶格中觀察到的超導性質(zhì)和強電子相關性在三維大塊材料中并不持久，但研究小組觀察到的Brown Zak振蕩表明，即使在厚石墨堆中，也可以采用二維系統(tǒng)的奇異特性。Yankowitz說，可能有一條將這些更迷人的特性重新引入大宗材料的途徑。

此外，在這種較厚的結(jié)構(gòu)中某些2D行為的持續(xù)性可能解釋了早在20世紀70年代就觀察到的石墨的一些奇怪行為。得克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家Allan MacDonald沒有參與這項工作，他說：“石墨在非常強的磁場中的行為長期以來一直是個謎。這些新論文可能會為理解正在發(fā)生的事情提供新的思路。”

Yankowitz說，這為研究混合維材料開辟了一條新的研究途徑。他說：“目前尚不清楚這將導致什么，但這是理解這些新型混合2D-3D系統(tǒng)的基礎?！?/p>

責任編輯：彭菁