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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到了無人能敵的地步，他的創(chuàng)新性實驗在物理領(lǐng)域引起了軒然大波。

從石墨，到石墨烯，再到石墨炔……似乎，這個隨處可見的材料，并沒有那么簡單，它更像是一個無盡的寶藏，等待人們一點一點的向世人展示……

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，且待我們細細品味。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)，因為通常認為局限于單個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行了輸運測量，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)莫爾勢改變了整個石墨薄膜的電子特性。

在零磁場和小磁場中，輸運是由柵極可調(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，由于石墨的兩個最低朗道帶的獨特性質(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. 低場磁輸運和表面局域態(tài)的獨立門控

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)和高能量的強準(zhǔn)周期狀態(tài)之間進行調(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，通過改變層數(shù)和扭曲角度，以及使用不同的二維分量，將這個平臺擴展到工程準(zhǔn)晶體，將導(dǎo)致一個新的量子材料家族來研究強相互作用準(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)晶的實現(xiàn)

圖3. 莫爾準(zhǔn)周期性的結(jié)果

圖3. 強電子相互作用和超導(dǎo)性

文獻信息

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

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/07/21/3ebb4e09c2/

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