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石墨，一種自然界中豐富的碳同素異形體，以其層狀結構為科學界所熟知，而更為神奇的是其單層構造——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，他的創新性實驗在物理領域引起了軒然大波。

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上驚現三篇與“石墨”相關的研究，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“華麗轉身”。

1. 石墨中莫氏表面態和塊狀態的混合

范德華組裝，使二維(2D)材料中的電子態設計成為可能，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。

這種扭轉電子學方法，已經獲得了許多以前未描述的物理現象，包括扭曲雙層石墨烯中的強相關性和超導性，共振激子，過渡金屬硫系莫爾結構中的電荷有序和Wigner結晶，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，雙旋電子學已被用于改變范德華晶體之間界面的近表面狀態。

在此，來自南京航空航天大學的殷俊&英國曼切斯特大學的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，可以通過與另一晶體(即晶體學上排列的六方氮化硼)界面上發生的超晶格勢來調節。這種排列導致了幾個Lifshitz躍遷和近表面狀態引起的布朗-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的方法來控制。相關論文以題為“Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite”于2023年07月19日發表在Nature上。

圖1. 墨- hBN界面上的莫爾超晶格

圖2. 石墨- hBN界面表面態引起的Brown-Zak 振蕩

圖3. 石墨中的分形2.5D QHE態

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

將具有相對扭轉角的原子薄范德華晶體，堆疊形成的莫爾條紋，可以產生顯著的新物理性質。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構，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。

在此，來自美國華盛頓大學的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單層石墨烯片來構建的。研究者發現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，輸運是由柵極可調諧的莫爾和石墨表面態的組合介導的，以及共存的半金屬體態，它們對柵極沒有反應。在高場下，由于石墨的兩個最低朗道帶的獨特性質，石墨的莫爾勢與石墨體態發生雜化。

這些朗道帶有助于形成單一的準二維雜化結構，在這種雜化結構中，莫爾態和塊狀石墨態不可避免地混合在一起。研究者的研究結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。

相關論文以題為“Mixed-dimensional moiré systems of twisted graphitic thin films”于2023年07月19日發表在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的獨立門控

圖3. 高場下莫爾態和塊狀石墨的雜化

圖4. 不同厚度和扭角石墨薄膜的莫爾改性

3. 在可調諧的莫爾準晶體中超導電性和強相互作用

準晶體中的電子狀態，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。

在此，來自美國麻省理工學院的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諧準晶體。

通過以兩種不同的扭轉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晶體不同，研究者的系統的準周期性是在幾個納米的莫爾長度尺度上定義的。

這種“莫爾系準晶體”使研究者能夠調整化學勢，從而使電子系統在低能量的類周期狀態和高能量的強準周期狀態之間進行調整，后者擁有大密度的弱色散狀態。

值得注意的是，在準周期體系中，研究者觀察到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揮的重要作用。在具有原位可調性的未來系統中，相互作用現象的流行不僅對準周期系統的研究有用，而且可以為相關周期莫爾晶格的電子有序提供見解。

研究者預計，通過改變層數和扭曲角度，以及使用不同的二維分量，將這個平臺擴展到工程準晶體，將導致一個新的量子材料家族來研究強相互作用準晶體的性質。

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

圖1. 莫爾準周期性

圖2. 雙角TTG中莫爾準晶的實現

圖3. 莫爾準周期性的結果

圖3. 強電子相互作用和超導性

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

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