碳量子材料：一天兩篇《Nature》

2020-08-27 天下為工

8月12日，學術頂刊《自然》上同期刊登了兩篇關於碳量子材料論文。

二維碳量子材料中存在平帶（flat band）。處於平帶中的電子相互間作用力很強，從而產生特殊的電學性能，如非常規超導態和關聯絕緣態等。二維碳量子材料因而成為研究電子強關聯和高溫超導機理的重要平臺。最近大火的魔角石墨烯便是石墨烯量子材料的一員（今年最火課題之一！魔角石墨烯三個月內第5篇《Nature》！）。製備魔角石墨烯需要調整兩層石墨烯間的夾角至~1.1°（誤差不大於0.1°）。如此精密的操作難以推廣。《自然》上的兩篇工作面對這一挑戰，報導了製備更方便、具有類似魔角石墨烯電學性質的「替代品」。

【1】

美國Rutgers大學Eva Y. Andrei教授和Yuhang Jiang教授團隊發現沉積在平整六方氮化硼（h-BN）或硒化鈮（NbSe2）納米片上的單層石墨烯在稀釋氫氣氛圍下（10% H2，90% Ar）加熱至503 K後降溫至4.6 K時，可在局部起皺形成規則的超晶格。該超晶格由兩列褶皺交匯而成，形成如山峰-山谷般周期起伏的形貌。通過掃描隧道電子顯微鏡表徵和計算模擬，作者們發現在超晶格中的電子運動仿佛被周期性分布的巨大磁場束縛，從而產生類魔角石墨烯的平帶和相關電學性質。本工作報導的製備方法有望拓展至其他超晶格體系。

（掃描隧道電子顯微鏡顯示沉積在NbSe2上的單層石墨烯局部的超晶格結構）

【2】

傳統石墨晶體結構屬六方晶系，呈ABABAB…堆積，結構穩定。而石墨還有另一種亞穩態晶體結構——菱形石墨。該結構呈ABCABCABC…堆積，為三方晶系。理論預測認為正是這種內在錯位堆積使菱形石墨表面出現近似電子平帶，從而出現電子-電子強關聯作用。

英國曼徹斯特大學Artem Mischenko教授團隊首次實驗驗證了這一預測。他們採用h-BN封裝法，將不同層數（~10–50層）的菱形石墨限制於兩層h-BN之間，從而維持了菱形石墨的結構穩定性。他們測定了菱形石墨在不同溫度和電磁場強度下的電阻，發現施加電磁場可讓菱形石墨表面電子能級出現帶隙，機理與量子自旋霍爾效應有關。更神奇的是，當菱形石墨的厚度降到4 nm以下，不加任何電磁場情況下帶隙會自動出現。同時，作者們發現菱形石墨電阻變化遲於電磁場變化。這一現象的本質尚未有定論，但作者們認為這暗示了4 nm厚的菱形石墨為一種強關聯電子體系。

（菱形石墨結構及其在電磁場作用下出現帶隙）

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