麻省理工學院物理學家將鉛筆芯轉化為電子黃金
麻省理工學院的研究人員通過以精確的順序堆疊五層石墨烯，發現了石墨的獨特特性。這種五層菱面體堆疊石墨烯可以表現出絕緣、磁性或拓撲特性，標誌著使用創新納米級顯微鏡技術在材料物理學中的一項重大發現。
IT物理學家通過分離按特定順序堆疊的五個超薄薄片，將石墨或鉛筆芯比喻成金。然後，可以對所得材料進行調整，以表現出天然石墨中從未見過的三個重要特性。
“這有點像一站式購物，”麻省理工學院物理系助理教授、這項工作的負責人龍菊說，這項工作在10月5日的《自然納米技術》雜誌上報導。“大自然有很多驚喜。在這種情況下，我們從未意識到所有這些有趣的東西都嵌入在石墨中。
此外，他說，“找到能夠承載這麼多特性的材料是非常罕見的材料。
“Twistronics”的興起
石墨由石墨烯組成，石墨烯是單層碳原子排列成六邊形，類似於蜂窩結構。反過來，石墨烯自大約 20 年前首次被分離出來以來一直是深入研究的焦點。大約五年前，包括麻省理工學院一個團隊在內的研究人員發現，將單個石墨烯片堆疊起來，並將它們以略微傾斜的角度扭曲，可以賦予材料新的特性，從超導性到磁性。“twistronics”領域誕生了。
在目前的工作中，「我們發現了有趣的特性，完全沒有扭曲，」Ju說，他也隸屬於材料研究實驗室。
他和同事們發現，按一定順序排列的五層石墨烯允許在材料內部移動的電子相互交談。這種現象被稱為電子相關性，“是使所有這些新特性成為可能的魔力，”Ju說。
塊狀石墨，甚至是單片石墨烯，都是良好的電導體，但僅此而已。Ju及其同事分離出的材料，他們稱之為五層菱面體堆疊石墨烯，其部分的總和遠遠超過其各部分的總和。
新型顯微鏡發現的新視界
分離這種材料的關鍵是 麻省理工學院於 2021 年建造的新型顯微鏡 Ju，它可以快速且相對便宜地確定納米尺度材料的各種重要特性。五層菱面體堆疊石墨烯只有十億分之一米厚。
包括Ju在內的科學家正在尋找以非常精確的順序堆疊的多層石墨烯，稱為菱面體堆疊。Ju 說，“當你進入 5 層時，有 10 多種可能的堆疊訂單。菱形面體只是其中之一。Ju製造的顯微鏡被稱為散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM），使科學家們能夠僅識別和分離他們感興趣的菱面體堆疊順序中的五層。
多重性質的材料現象
從那裡，研究小組將電極連接到一個由氮化硼“麵包”組成的微小三明治上，該三明治保護了五層菱面體堆疊石墨烯的精緻“肉”。電極允許他們用不同的電壓或電量來調整系統。結果：他們發現了三種不同現象的出現，這取決於充斥系統的電子數量。
“我們發現這種材料可能是絕緣的、磁性的或拓撲的，”Ju 說。後者與導體和絕緣體都有一定關係。Ju解釋說，從本質上講，拓撲材料允許電子在材料邊緣周圍暢通無阻地運動，但不能通過中間。電子沿著材料邊緣的“高速公路”沿一個方向行進，該高速公路由構成材料中心的中值隔開。因此，拓撲材料的邊緣是完美的導體，而中心是絕緣體。
“我們的工作將菱面體堆疊多層石墨烯確立為一個高度可調的平臺，以研究強相關和拓撲物理學的這些新可能性，”Ju和他的合著者在Nature Nanotechnology上總結道。
參考資料：Tonghang Han、Zhengguang Lu、Giovanni Scuri、Jiho Sung、Jue Wang、Tianyi Han、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Hongkun Park 和 Long Ju，2023 年 10 月 5 日，《自然納米技術》雜誌上發表的“五層菱面體堆疊石墨烯中的相關絕緣體和陳絕緣體”。
DOI： 10.1038/s41565-023-01520-1
除Ju外，該論文的作者還有Tonghang Han和Zhengguang Lu。Han是物理系的研究生;Lu是材料研究實驗室的博士後助理。兩人是該論文的共同第一作者。
其他作者包括哈佛大學的Giovanni Scuri、Jiho Sung、Jue Wang和Hongkun Park;日本國立材料科學研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi，以及麻省理工學院物理學院的Tianyi Han。
這項工作得到了斯隆獎學金的支援;美國國家科學基金會;美國國防部負責研究和工程的副部長辦公室;日本科學振興會 KAKENHI;日本世界首屈一指的國際研究計劃;以及美國空軍科學研究辦公室。
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