碳材料，一天3篇Nature！南航殷俊教授今日Nature!

石墨烯自从2010年靠胶带拿下诺贝尔物理学奖（划重点，物理）后，迅速的成为了科研界、工业界的宠儿。广大的科研打工人曾笑言：思路不清晰，掺点石墨烯。投稿不顺畅，涂点钙钛矿。

但不可否认的是，石墨烯（由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料），由于具有优异的光学、电学、力学特性，在物理学、材料学、生物医药、能源等方面具有广泛的应用前景。2020年，曹原扭曲石墨烯的横空出世，解开了石墨烯的超导魔力，更是进一步体现了石墨烯是一种未来革命性的材料。

Figure 1. 石墨烯

现在大家比较了解石墨烯及其部分应用。其实，石墨是人们发现比较早的矿物，后又有人造石墨，应用广泛。石墨分子是碳原子按六角蜂巢型排列，形成石墨片。单层石墨片就是石墨烯。

Figure 2. 石墨

北京时间2023年7月19日晚23时，Nature杂志在线发表了3篇与石墨（烯）相关的重磅论文，石墨（烯）再次王者归来！

Part1：石墨中莫尔表面态和体态的混合

范德华组装通常通过使用莫尔超晶格在晶格上叠加长波长周期性势来实现二维 (2D) 材料中的电子态设计。这种扭转电子学方法产生了许多以前未描述过的物理现象，包括扭转双层石墨烯中的强相关性和超导性、共振激子、过渡金属硫族化物莫尔结构中的电荷排序和维格纳结晶以及霍夫施塔特的蝴蝶光谱和石墨烯超晶格中的布朗-扎克量子振荡。此外，双电子学已被用来改变范德华晶体之间界面的近表面态。

鉴于此，南京航空航天大学殷俊教授与英国曼彻斯特大学Vladimir I. Fal’ko、Artem Mishchenko教授合作指出：三维晶体（例如石墨）中的电子态可以通过与另一种晶体（即晶体学排列的六方氮化硼）界面处出现的超晶格势来调节。这种排列导致了近表面态产生的几次利夫希茨跃迁和布朗-扎克振荡，而在高磁场中，霍夫施塔特蝴蝶的分形态深入到石墨块中。该工作展示了一种使用二维扭转电子学方法控制三维光谱的方法。

图 1. 石墨-六方氮化硼界面处的莫尔超晶格

Part 2: 扭曲石墨薄膜的混合维莫尔条纹系统

几十年来，科学家们一直在探索二维材料改变世界的潜力。二维材料只有单层原子厚。在它们内部，像电子这样的亚原子粒子只能在二维中移动。这种简单的限制可以触发不寻常的电子行为，使材料具有“奇异”的特性，例如奇异形式的磁性、超导性和电子之间的其他集体行为——所有这些都可以在计算、通信、能源和其他领域发挥作用。

但研究人员普遍认为这些奇特的二维特性仅存在于单层片材或短堆叠中。这些材料的所谓“块状”版本——具有更复杂的 3D 原子结构——应该表现不同。

美国华盛顿大学Matthew Yankowitz教授课题组对通过在薄的块状石墨晶体顶部稍微旋转单层石墨烯片而构建的双门器件进行传输测量。他们发现莫尔势改变了整个块状石墨薄膜的电子特性。在零磁场和小磁场中，传输是由门可调节的莫尔条纹和石墨表面态以及对门控不响应的共存半金属体态的组合来介导的。在高场下，由于石墨两个最低朗道带的独特性质，莫尔势与石墨体态混合。这些朗道带有助于形成单一的准二维混合结构，其中莫尔条纹和块状石墨态不可避免地混合在一起。本文的研究结果表明，扭曲石墨烯-石墨是第一种新型混合维莫尔材料中。

图 2. 高场下莫尔条纹和块状石墨态的杂化

Part 3: 可调谐莫尔准晶中的超导性和强相互作用

准晶体中的电子态通常无法进行布洛赫描述，这使得它们令人着迷且神秘。由于准晶的复杂性和稀缺性，相对于周期性和非晶结构，准晶的研究还不够充分。

麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero教授（曹原的博士导师）课题组介绍了一种新型的高度可调谐准晶体，可以轻松地由周期性组件组装而成。通过以两种不同的扭转角度扭转三层石墨烯，形成了两种互不相称的莫尔图案。与许多常见的原子级准晶体相比，该系统中的准周期性是在几纳米的莫尔长度尺度上定义的。这种“莫尔准晶体”使研究人员能够在低能量的类周期状态和高能量的强准周期状态之间调节化学势，从而调节电子系统，后者具有大密度的弱色散态。值得注意的是，在准周期状态下，作者在味道对称性破坏相变附近观察到超导性，后者表明电子相互作用在该状态下发挥着重要作用。具有原位可调谐性的未来系统中相互作用现象的普遍存在不仅对于准周期系统的研究有用，而且还可以为相关周期性莫尔晶体中的电子排序提供见解。作者预计，通过改变层数和扭转角以及使用不同的二维组件，将该平台扩展到设计准晶体，将产生一个新的量子材料系列，以研究强相互作用准晶体的特性。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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