麻省理工学院物理学家将铅笔芯变成“金”
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分离出可以调整以表现出三个重要特性的薄片
麻省理工学院的物理学家通过分离按特定顺序堆叠的五片超薄薄片，将石墨或铅笔芯变成了黄金。然后可以调整所得材料以表现出天然石墨中从未见过的三种重要特性。
“这有点像一站式购物，”麻省理工学院物理系助理教授、这项工作的负责人龙 居说，这项工作发表在 10 月 5 日 的 《自然·纳米技术》杂志上。“大自然有很多惊喜。在这种情况下，我们从未意识到所有这些有趣的东西都嵌入在石墨中。”
此外，他说：“能够找到具有如此多特性的材料是非常罕见的。”
石墨由石墨烯组成，石墨烯是单层碳原子排列成六边形，类似蜂窝结构。石墨烯自大约 20 年前首次分离出来以来，一直是深入研究的焦点。大约五年前，包括麻省理工学院的一个团队在内的研究人员发现，堆叠单片石墨烯，并将它们以微小角度扭转，可以赋予材料新的特性，从超导到磁性。“双电子学”领域诞生了。
在目前的工作中，“我们发现了完全没有扭曲的有趣特性，”同属于材料研究实验室的朱说。
他和同事发现，按一定顺序排列的五层石墨烯可以让在材料内部移动的电子相互通信。Ju 说，这种被称为电子关联的现象“是使所有这些新特性成为可能的魔力”。
大块石墨——甚至单片石墨烯——都是良好的电导体，但仅此而已。Ju和同事分离出的材料，他们将其称为五层菱面体堆叠石墨烯，其作用远远大于其各部分的总和。
新型显微镜
分离该材料的关键是 Ju 于 2021 年在麻省理工学院制造的新型显微镜 ，它可以快速且相对便宜地确定纳米尺度材料的各种重要特性。五层菱面体堆叠石墨烯的厚度仅为十亿分之几米。
Ju 等科学家一直在寻找以非常的顺序堆叠的多层石墨烯，即菱面体堆叠。Ju 说，“当你达到五层时，可能有超过 10 种堆叠顺序。菱面体只是其中。” Ju建造的显微镜被称为散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM），使科学家能够仅识别和分离出他们感兴趣的菱面体堆叠顺序的五层结构。
三合一
从那里，研究小组将电极连接到一个由氮化硼“面包”组成的小三明治上，以保护五层菱面体堆叠石墨烯的精致“肉”。电极使他们能够用不同的电压或电量来调整系统。结果：他们发现根据淹没系统的电子数量会出现三种不同的现象。
“我们发现这种材料可能是绝缘的、磁性的或拓扑的，”朱说。后者与导体和绝缘体都有些关系。Ju解释说，从本质上讲，拓扑材料允许电子在材料边缘不受阻碍地运动，但不能穿过中间。电子沿着材料边缘的“高速公路”朝一个方向行进，该“高速公路”被构成材料中心的中线隔开。因此拓扑材料的边缘是完美导体，而中心是绝缘体。
“我们的工作将菱面体堆叠多层石墨烯建立为一个高度可调的平台，以研究强相关和拓扑物理的这些新可能性，”朱和他的合著者在《 自然纳米技术》上总结道。
除了鞠之外，该论文的作者还有韩同航和陆正光。韩是物理系研究生；卢博士是材料研究实验室的博士后。两人是该论文的共同较好作者。
其他作者包括哈佛大学的 Giovanni Scuri、Jiho Sung、Jue Wang 和 Hongkun Park；日本国家材料科学研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi，以及麻省理工学院物理学的 Tianyi Han。
这项工作得到了斯隆奖学金的支持；美国国家科学基金会；美国负责研究和工程的国防部副部长办公室；日本学术振兴会KAKENHI；日本世界*研究计划；和美国空军科学研究办公室。
