麻省理工学院物理学家将铅笔芯变成“金”

麻省理工学院的物理学家通过分离出按特定顺序堆叠的五片超薄薄片，将石墨或铅笔芯比喻成金。然后，可以对所得材料进行调整，以表现出天然石墨中从未见过的三个重要特性。

“这有点像一站式购物，”物理系助理教授、这项工作的负责人龙菊说，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，“找到能够承载这么多特性的材料是非常罕见的材料。

石墨由石墨烯组成，石墨烯是单层碳原子排列成六边形，类似于蜂窝结构。反过来，石墨烯自大约 20 年前首次被分离出来以来一直是深入研究的焦点。最近，大约五年前，包括麻省理工学院一个团队在内的研究人员发现，堆叠单个石墨烯片，并将它们以略微的角度扭曲，可以赋予材料新的特性，从超导性到磁性。“twistronics”领域诞生了。

在目前的工作中，“我们发现了有趣的特性，完全没有扭曲，”Ju说，他也隶属于材料研究实验室。

他和同事们发现，按一定顺序排列的五层石墨烯允许在材料内部移动的电子相互交谈。这种现象被称为电子相关性，“是使所有这些新特性成为可能的魔力，”Ju说。

块状石墨——甚至是单片石墨烯——都是良好的电导体，但仅此而已。Ju及其同事分离出的材料，他们称之为五层菱面体堆叠石墨烯，其部分的总和远远超过其各部分的总和。

新型显微镜

分离这种材料的关键是麻省理工学院于 2021 年建造的新型显微镜 Ju，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只有十亿分之一米厚。

包括Ju在内的科学家正在寻找以非常精确的顺序堆叠的多层石墨烯，称为菱面体堆叠。Ju 说，“当你进入 5 层时，有 10 多种可能的堆叠订单。菱形面体只是其中之一。Ju建造的显微镜被称为散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM），使科学家们能够仅识别和分离他们感兴趣的菱面体堆叠顺序中的五层。

三合一

从那里，研究小组将电极连接到一个由氮化硼“面包”组成的微小三明治上，该三明治保护了五层菱面体堆叠石墨烯的精致“肉”。电极允许他们用不同的电压或电量来调整系统。结果：他们发现了三种不同现象的出现，这取决于充斥系统的电子数量。

“我们发现这种材料可能是绝缘的、磁性的或拓扑的，”Ju 说。后者与导体和绝缘体都有一定关系。Ju解释说，从本质上讲，拓扑材料允许电子在材料边缘周围畅通无阻地运动，但不能通过中间。电子沿着材料边缘的“高速公路”沿一个方向行进，该高速公路由构成材料中心的中值隔开。因此，拓扑材料的边缘是完美的导体，而中心是绝缘体。

“我们的工作将菱面体堆叠多层石墨烯确立为一个高度可调的平台，以研究强相关和拓扑物理学的这些新可能性，”Ju和他的合著者在 Nature Nanotechnology上总结道。

除Ju外，该论文的作者还有Tonghang Han和Zhengguang Lu。Han是物理系的研究生;Lu是材料研究实验室的博士后。两人是该论文的共同第一作者。

其他作者包括哈佛大学的Giovanni Scuri、Jiho Sung、Jue Wang和Hongkun Park;日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi;以及麻省理工学院物理系的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;美国国防部负责研究和工程的副部长办公室;日本科学振兴会 KAKENHI; 日本世界首屈一指的国际研究计划;以及美国空军科学研究办公室。