曼彻斯特大学Artem Mishchenko教授团队石墨钻研新妨碍 – 捉拿Hofstadter蝴蝶 – 质料牛

石墨是曼彻墨钻地球上最怪异的矿物资之一，也作为怪异质料石墨烯的斯特授团母质料而患上到良多关注。克日，大学队石蝶质曼彻斯特大学物理与地舆系Artem Mishchenko教授团队在石墨钻研中再次取患上严正妨碍，研新相关服从宣告在最新一期Nature [1]杂志上。妨碍

石墨尽管只具备由蜂窝状碳原子排布组成的–捉晶体妄想，但其重大性却远远超乎咱们的料牛想象。在石墨妄想中，曼彻墨钻差距单原子层之间的斯特授团重叠秩序会发生差距规范的石墨 -- 罕有的重叠秩序搜罗六方石墨(hexagonal graphite)以及菱方石墨(rhombohedral graphite)。其中，大学队石蝶质菱方石墨在做作界中加倍罕有(个别惟独不到15%的研新做作石墨具备菱方重叠)。Mishchenko教授团队曾经对于菱方石墨特异的妨碍电子输运功能妨碍过深入钻研，相关使命于2020年宣告在Nature [2]杂志上。–捉此外，料牛该团队也同样报道过经由范德华技术调控石墨中的曼彻墨钻重叠秩序 [3]，为钻研石墨系统提供了极具价钱的试验技术。

比照之下，六方石墨是加倍普遍存在的石墨矿产，也因此让它成为最“艰深”的质料之一。个别，在石墨晶体概况处会由于晶格的周期性部署被扰乱而发生概况态，概况态深入石墨块体时会不断消逝。但若何操作石墨概况态，以及概况态若何影响石墨外部长程电子输运功能，仍有待处置。

范德华异质结以及魔角石墨烯是二维质料钻研中两个如火如荼的规模。经由将具备特异功能的二维质料组装成异质结，概况将石墨烯以特定的角度重叠而组成莫尔超晶格，钻研职员在这些系统中发现了数不胜数超乎咱们预期的新天气以及新物理，也因此极大增长了这两个规模在近些年来的快捷睁开。Mishchenko教授团队怪异运用这两大利器：将范德华技术从二维系统运用到三维石墨系统中，并运用石墨与六方氮化硼界面的莫尔超晶格来调控石墨中如万花筒般随异化形态不断变更的概况态，揭示石墨系统中差距艰深的新物理(图1)。

图1 | 六方石墨器件图。(a) 对于齐以及不同过错齐界面的莫尔界面展现图，(b) 器件光学图像

该团队钻研发现，莫尔势能对于石墨的调控不光规模于概况态，而是会贯串全部石墨块体，影响其部份的电子功能。这有些相似于豌豆公主的故事，隔着20床床垫以及羽绒被，豌豆公主依然可能感受到一小颗豌豆带来的不适。在石墨中，界面处的莫尔势可能透过40余原子层而调控全部石墨外部的电子功能。这项使命深入钻研了六方石墨在与六方氮化硼发生的莫尔超晶格对于其功能的影响。其中颇为严正的发现是审核到在石墨中，介于二维以及三维之间，2.5维度概况态以及本征态的混合，这一混合经由一种新型的分形量子霍尔效应(fractal quantum Hall effect)揭示进去，可能称之为2.5维度的Hofstadter蝴蝶(图2)。

图2 | 石墨系统中的2.5维Hofstadter蝴蝶

值患上一提的是，Mishchenko教授也是石墨中2.5维量子霍尔效应的发现者 [4]。个别，量子霍尔效应被以为只存在于二维系统中，而他是首位在准三维质料石墨中审核到霍尔量子效应，并突破这一传统认知的人。他说，“作为石墨烯的母质料，石墨显患上格外低调，也因此并不被钻研者看重。但随着咱们对于石墨不断深入的钻研，随着对于石墨认知的积攒，咱们也越来越被这团系统所排汇，尚有良多欢喜的下场值患上咱们探究”。本文的一作，Ciaran Mullan填补道，“咱们的使命开启了将扭角二维系统扩展到三位系统的先河，为调控这些质料的电子输运功能提供了新机缘”。本文的另一位通讯作者是南京航空航天大学殷俊教授，他在曼大使命时期教育并退出了该钻研的大批使命。

当初，该团队(www.2dmatters.com)依然在不断增长对于石墨系统的钻研，深入清晰石墨这种艰深但又充斥魅力的怪异质料。

参考文献：

1.Nature, DOI 10.1038/s41586-023-06264-5 (2023)

2.Nature584, 210–214 (2020)

3.Nano Lett. 19, 8526–8532 (2019)

4.Nature Physics15, 437–442 (2019)

原文概况：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06264-5

本文由论文作者团队供稿