石墨烯堆叠的2D系统的外部极限

近年来，通过将两片稍微歪斜的石墨烯堆叠在一起，产生了非凡的物理现象，包括可调超导性、量子记忆，以及涉及“水坑”电子团的奇怪的新物质状态 —— 该现象出现在两张纸中六边形图案之间的“扭曲”角小到1.1度。由此，所谓的扭曲双层石墨烯的技术应用开始映入眼帘，神秘的热、光学、电子、材料和其他特性正等待开发。

现在，美国和英国的科学家已经开始探索这些堆叠的2D系统的外部极限：如果这些双层的现象中只有一层是一个原子厚呢？在双层魔法消失之前，可以在主体中添加多少层？令这些研究人员惊讶的是，即使在厚的三维石墨堆中，一些双层特性仍然存在。

英国曼彻斯特大学理论物理学教授Vladimir Falko说：“一段时间以来，人们普遍认为……如果它是一种有很多层的金属，它的行为就像是三维的。在如此厚的石墨膜中，可以看到二维行为，这是非常不寻常的。”

为了理解薄层量子行为的局限性，华盛顿大学和曼彻斯特大学的研究团队分别创建了两个略有不同的设置。华盛顿大学的研究小组在一个厚石墨堆的顶部有一层石墨烯，以一个微小的角度扭曲。曼彻斯特大学的研究小组使用了类似的石墨堆，但在上面覆盖了一层二维片状氮化硼。

这两种方法在其堆叠的顶部两层之间创建了相同的结构，即所谓的莫尔超晶格。它被称为超晶格，因为两层之间的不匹配角度为系统添加了新的莫尔条纹状图案。对于扭曲的石墨烯顶层，失配来自于每个片的六边形单元之间的扭曲角，而对于氮化硼顶层，失配来自于氮化硼和下面石墨的晶格间距略有不同。

当受到强磁场时，莫尔超晶格由于晶格间距的大幅增加而发生显著的转变。在这种情况下，一个明显更大的磁通量可以进一步改变材料本已奇怪的特性。随着电场的调谐，薄板的电导率会周期性地振荡，这种现象被称为Brown-Zak振荡。

研究人员没有想到他们的顶部有一个莫尔超晶格层的厚石墨烯堆叠会表现出任何这样的效果。毕竟，如上所述的现象仅在一对（或小阵列）2D片材彼此叠置的情况下观察到。一块3D石墨完全是新的领域。研究小组完全有理由怀疑这些奇怪的量子行为在系统中根本看不到。尽管如此，当他们调整磁场时，研究人员观察到整个叠层的电导率发生了振荡——这是二维莫尔材料特有的Brown-Zak振荡。

华盛顿大学的负责人Matthew Yankowitz说：“如果你有18层石墨，而你只将其中一层扭曲1度，你就不会真正对材料进行很大的结构改变。但整个石墨堆基本上表现得像一种莫尔材料，尽管它是一种三维材料。所以，我认为，这是一种时髦的新见解。”

虽然在二维莫尔超晶格中观察到的超导性质和强电子相关性在三维大块材料中并不持久，但研究小组观察到的Brown Zak振荡表明，即使在厚石墨堆中，也可以采用二维系统的奇异特性。Yankowitz说，可能有一条将这些更迷人的特性重新引入大宗材料的途径。

此外，在这种较厚的结构中某些2D行为的持续性可能解释了早在20世纪70年代就观察到的石墨的一些奇怪行为。得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家Allan MacDonald没有参与这项工作，他说：“石墨在非常强的磁场中的行为长期以来一直是个谜。这些新论文可能会为理解正在发生的事情提供新的思路。”

Yankowitz说，这为研究混合维材料开辟了一条新的研究途径。他说：“目前尚不清楚这将导致什么，但这是理解这些新型混合2D-3D系统的基础。”

责任编辑：彭菁