铅笔芯可以变成隐喻的“金子”

新发现展示了如何调整石墨烯薄片以展现材料中三种前所未见的特性。

石墨烯已经是一种神奇的材料，但物理学家现在发现它包含更多的惊喜。 

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麻省理工学院的研究人员实现了炼金术士的梦想。嗯，有点。他们找到了一种将石墨比喻为“黄金”的方法。

麻省理工学院的物理学家发明了一种分离五片超薄石墨片（铅笔芯的主要成分之一）的方法，这些石墨片按特定顺序堆叠。所得到的材料可以经过调整以展示出天然石墨中以前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菊在一份声明中说。 “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。 ”  

Ju补充道：“能够找到具有如此多特性的材料是非常罕见的。 ”

那么这是怎么回事呢？石墨由石墨烯组成，石墨烯是单层碳原子，排列成六边形蜂窝状结构。自从大约 20 年前首次分离出来以来，研究人员对这种令人费解的神奇材料投入了大量的注意力。  

然后，大约五年前，麻省理工学院的研究人员发现，堆叠石墨烯片，然后扭转它们，使它们彼此成小角度，可以赋予这种材料令人兴奋的新特性，从本质上创造一个新的研究领域——“双绞电子学”。

然而，麻省理工学院的最新研究发现了石墨烯有趣的新特性，没有任何扭曲。

Ju和同事发现，按特定顺序排列的五层石墨烯允许在其内部移动的电子以所谓的电子相关性“相互交谈”。 Ju 解释说，这种现象是“使所有这些新特性成为可能的魔力。 ”

Ju及其同事分离出的材料被称为五层菱面体堆叠石墨烯。这个令人惊叹的结构只有十亿分之几米厚。

这是一种魔法

2021 年，Ju 建造了一台显微镜，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。该显微镜采用散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM），使科学家能够识别和分离特定的堆叠顺序。在研究多层石墨烯堆叠时，研究人员能够以菱形堆叠顺序分离出五层，这是 10 多种可能的堆叠顺序之一。

从这里开始，团队的行动最好用三明治语言来描述，以使其更容易理解。

他们将电极连接到由氮化硼组成的微小三明治（“面包”）上，以保护五层菱面体堆叠石墨烯的“肉”。电极使他们能够用不同的电压控制和调整系统，从而导致材料内出现三种不同的现象，每种现象都取决于系统中的电子数量。

“我们发现这种材料可能是绝缘的、磁性的或拓扑的，”朱解释道。拓扑材料允许电子在材料边缘周围不受阻碍地运动，但不能通过其中间。这种现象与导体和绝缘体都有一定的关系。

电子沿着材料边缘的一种“高速公路”朝一个方向移动，该“高速公路”被构成材料中心的中线分隔开。这意味着拓扑材料的边缘是完美导体，而其中心是绝缘体。

该团队在论文中总结道：“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。”

该研究发表在《自然纳米技术》上。