杀疯了！宝藏材料一天三篇Nature！

石墨，一种自然界中丰富的碳同素异形体，以其层状结构为科学界所熟知，而更为神奇的是其单层构造——石墨烯。天才少年曹原，对于石墨烯的研究几乎达到了无人能敌的地步，他的创新性实验在物理领域引起了轩然大波。

从石墨，到石墨烯，再到石墨炔……似乎，这个随处可见的材料，并没有那么简单，它更像是一个无尽的宝藏，等待人们一点一点的向世人展示……

无巧不成书！2023年07年20日，同一期的Nature上惊现三篇与“石墨”相关的研究，且待我们细细品味。且看，从石墨，到双层石墨烯，再到三层石墨烯的“华丽转身”。

1. 石墨中莫氏表面态和块状态的混合

范德华组装，使二维(2D)材料中的电子态设计成为可能，通常是通过使用莫尔维尔超晶格，在晶格上叠加长波周期势。

这种扭转电子学方法，已经获得了许多以前未描述的物理现象，包括扭曲双层石墨烯中的强相关性和超导性，共振激子，过渡金属硫系莫尔结构中的电荷有序和Wigner结晶，以及石墨烯超晶格中的霍夫施塔特蝴蝶光谱和布朗-扎克量子振荡。此外，双旋电子学已被用于改变范德华晶体之间界面的近表面状态。

在此，来自南京航空航天大学的殷俊&英国曼切斯特大学的Vladimir I. Fal’ko & Artem Mishchenko等研究者展示了三维(3D)晶体(如石墨)中的电子态，可以通过与另一晶体(即晶体学上排列的六方氮化硼)界面上发生的超晶格势来调节。这种排列导致了几个Lifshitz跃迁和近表面状态引起的布朗-扎克振荡，然而，在高磁场中，霍夫施塔特蝴蝶的分形状态深入到石墨的大块中。

该工作展示了一种方法，即3D光谱可以使用二维涡旋电子学的方法来控制。相关论文以题为“Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite”于2023年07月19日发表在Nature上。

图1. 墨- hBN界面上的莫尔超晶格

图2. 石墨- hBN界面表面态引起的Brown-Zak 振荡

图3. 石墨中的分形2.5D QHE态

图4. 石墨的霍夫施塔特能级展宽

2. 扭曲石墨薄膜的混合-维莫尔系统

将具有相对扭转角的原子薄范德华晶体，堆叠形成的莫尔条纹，可以产生显着的新物理性质。迄今为止，对莫尔条纹材料的研究仅限于由不超过几片范德华片组成的结构，因为通常认为局限于单个二维界面的莫尔条纹不能明显地改变大块三维晶体的性质。

在此，来自美国华盛顿大学的Matthew Yankowitz等研究者对双门控器件进行了输运测量，该器件是通过在薄块石墨晶体上略微旋转单层石墨烯片来构建的。研究者发现莫尔势改变了整个石墨薄膜的电子特性。

在零磁场和小磁场中，输运是由栅极可调谐的莫尔和石墨表面态的组合介导的，以及共存的半金属体态，它们对栅极没有反应。在高场下，由于石墨的两个最低朗道带的独特性质，石墨的莫尔势与石墨体态发生杂化。

这些朗道带有助于形成单一的准二维杂化结构，在这种杂化结构中，莫尔态和块状石墨态不可避免地混合在一起。研究者的研究结果确立了扭曲石墨烯-石墨作为一类新的混合维莫尔材料中的第一种。

相关论文以题为“Mixed-dimensional moiré systems of twisted graphitic thin films”于2023年07月19日发表在Nature上。

图1. 零场条件下Bernal和莫尔石墨的比较

图2. 低场磁输运和表面局域态的独立门控

图3. 高场下莫尔态和块状石墨的杂化

图4. 不同厚度和扭角石墨薄膜的莫尔改性

3. 在可调谐的莫尔准晶体中超导电性和强相互作用

准晶体中的电子状态，通常排除了布洛赫描述，使它们变得迷人而神秘。由于它们的复杂性和稀缺性，相对于周期性和非晶结构，准晶体尚未得到充分的研究。

在此，来自美国麻省理工学院的Aviram Uri & Sergio C. de la Barrera & Pablo Jarillo-Herrero等研究者介绍了一种易于由周期元件组装而成的高可调谐准晶体。

通过以两种不同的扭转角度扭曲三层石墨烯，研究者获得了两种相互不相称的莫尔图案。与许多普通的原子尺度准晶体不同，研究者的系统的准周期性是在几个纳米的莫尔长度尺度上定义的。

这种“莫尔系准晶体”使研究者能够调整化学势，从而使电子系统在低能量的类周期状态和高能量的强准周期状态之间进行调整，后者拥有大密度的弱色散状态。

值得注意的是，在准周期体系中，研究者观察到对称性破缺相变附近的超导性，后者表明了电子相互作用在该体系中发挥的重要作用。在具有原位可调性的未来系统中，相互作用现象的流行不仅对准周期系统的研究有用，而且可以为相关周期莫尔晶格的电子有序提供见解。

研究者预计，通过改变层数和扭曲角度，以及使用不同的二维分量，将这个平台扩展到工程准晶体，将导致一个新的量子材料家族来研究强相互作用准晶体的性质。

相关论文以题为“Superconductivity and strong interactions in a tunable moiré quasicrystal”于2023年07月19日发表在Nature上。

图1. 莫尔准周期性

图2. 双角TTG中莫尔准晶的实现

图3. 莫尔准周期性的结果

图3. 强电子相互作用和超导性

文献信息

Mullan, C., Slizovskiy, S., Yin, J. et al. Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06264-5

Waters, D., Thompson, E., Arreguin-Martinez, E. et al. Mixed-dimensional moiré systems of twisted graphitic thin films. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06290-3

Uri, A., de la Barrera, S.C., Randeria, M.T. et al. Superconductivity and strong interactions in a tunable moiré quasicrystal. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06294-z

原文链接：

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

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06290-3

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06294-z

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