曼彻斯特大学 多层菱形石墨中的电子相分离
学分:曼彻斯特大学 曼彻斯特大学领导的一个国际研究小组揭示了一种纳米材料，这种材料反映了最初在一种被称为扭曲双层石墨烯的复杂人造结构中发现的“魔角”效应——这是近年来物理学研究的一个关键领域
新的研究表明，菱形石墨的特殊拓扑结构有效地提供了一种内在的“扭曲”，因此为研究超导等潜在的改变游戏规则的效应提供了另一种媒介
该研究的合著者、石墨烯先锋教授安德烈·海姆爵士说:“这是一种有趣的替代物，可以替代极受欢迎的魔角石墨烯研究。”
该团队由曼彻斯特大学凝聚态物理教授阿特姆·米什琴科领导，于2020年8月12日在《自然》杂志上发表了他们的发现
米什琴科教授说:“菱形石墨有助于更好地理解强电子关联很重要的材料，比如重费米子化合物和高温超导体。”
二维材料研究的前一步是一个奇怪的行为，将一片石墨烯堆叠在另一片之上，并将其扭曲到一个“神奇的角度”，改变了双层的性质，使其成为超导体
米什琴科教授和他的同事们现在已经观察到在石墨的弱稳定菱面体形式中出现了强电子-电子相互作用——石墨烯层的堆叠形式与稳定的六方形式略有不同
扭曲双层石墨烯中的相互作用对扭曲角异常敏感
大约0的微小偏差
从精确的魔法角度看，1度强烈抑制相互作用
要制造出具有所需精度的装置是极其困难的，尤其是要找到足够统一的装置来研究其中令人兴奋的物理现象
新发表的关于菱面体石墨的发现现在已经为精确制造超导体器件开辟了一条替代途径
石墨，一种由堆叠的石墨烯层组成的碳材料，有两种稳定的形式:六角形和菱形
前者更稳定，因此得到了广泛的研究，而后者则不太稳定
为了更好地理解新的结果，重要的是要记住石墨烯层是以不同的方式堆叠在这两种石墨中的
六边形石墨(铅笔芯中发现的碳的形式)由石墨烯层层有序堆叠而成
亚稳定的菱面体形式具有稍微不同的堆积顺序，这种微小的差异导致其电子光谱的剧烈变化
先前的理论研究已经指出了在菱面体石墨的表面状态中存在着各种各样的多体物理——包括高温磁有序和超导性
然而，这些预测无法得到证实，因为到目前为止，对这种材料的电子输运测量还完全缺乏
曼彻斯特团队几年来一直在研究六方石墨薄膜，并开发了先进的技术来生产高质量的样品
他们的技术之一是用原子级扁平绝缘体六方氮化硼(hBN)封装薄膜，以保持所得HBn/六方石墨/hBN异质结构的高电子质量
在他们对菱面体石墨的新实验中，研究人员修改了他们的技术，以保持这种不太稳定的石墨的脆弱的堆积顺序
研究人员对他们的样本进行了成像，其中包含多达50层石墨烯，使用拉曼光谱来确认材料中的堆叠顺序保持不变，并且质量很高
然后，他们用传统的方法测量样品的电子传输特性——通过记录材料在改变温度和磁场强度时的电阻
米什琴科教授解释说，通过施加电场，也可以在菱面体石墨的表面态中打开能隙:“理论上预测的表面态能隙打开，也是对样品菱面体性质的独立证实，因为这种现象在六方石墨中是被禁止的
" 在厚度小于4纳米的菱面体石墨中，即使不施加外部电场，也存在带隙
研究人员说，他们还不确定这种自发间隙打开(发生在“电荷中性”——电子和空穴密度平衡的点)的确切性质，但他们正忙于回答这个问题
“从我们在量子霍尔机制下的实验中，我们看到这个间隙具有量子自旋霍尔的性质，但是我们不知道电荷中性时的自发间隙开放是否具有相同的起源，”米什琴科教授补充道
“在我们的例子中，这种间隙打开伴随着材料电阻的滞后行为，该滞后行为是外加电场或磁场的函数
这种滞后现象(电阻变化滞后于外加电场)意味着存在不同的电子带隙相位，这些相位被分成域，这是强相关材料的典型特征
" 对菱面体石墨的进一步研究可以揭示强关联材料中多体现象的起源，例如重费米子化合物和高温超导体，这里仅举两个例子
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