电子竟然能“结冰”？科学家在铅笔芯中发现量子奇观

【蜂耘网 新材料】众所周知，铅笔芯由石墨组成。石墨是一种具有特殊层状结构的碳同素异形体，而石墨烯其实是石墨的一个单层，是由单层碳原子层构成的类似蜂窝状的二维材料。

每个石墨层内的碳原子以共价键相连形成了一个平面六边形晶格，不同层之间则通过弱范德华力相互堆叠在一起。单纯从理论上来讲，如果能把铅笔芯中的石墨一层层剥离开来就能获得石墨烯。

所谓“菱面体五层石墨烯”，顾名思义是由五层石墨烯以特定的重叠顺序堆叠而成。因此，从这个角度来看，菱面体五层石墨烯其实也属于铅笔芯的一种“特殊形态”。

围绕菱面体五层石墨烯材料，近期麻省理工学院物理系助理教授巨龙和团队再次取得一项新发现：电子在仅有十亿分之一米厚的菱面体五层石墨烯材料中形成了晶体结构。目前，这项研究成果已经发表在Nature上，标志着在理解这种二维材料及其潜在应用方面迈出了重要一步。

这篇论文的其他主要作者还包括麻省理工学院的韩同航和姚宇轩，以及佛罗里达州立大学的路正光，他们三人都是这篇论文的共同第一作者。此外，麻省理工学院的 Jixiang Yang、Junseok Seo、Lihan Shi、Shenyong Ye，以及日本国家材料科学研究所的 Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi 也参与了该项研究。

这项研究得到了斯隆奖学金、Mathworks 奖学金、美国能源部、日本学术振兴会 KAKENHI 基金等的支持，研究中相关器件的制造是在哈佛大学纳米系统中心和 MIT.nano 完成。

谈及这种名为“菱面体五层石墨烯”的材料时，巨龙表示，“我们就像是发现了一座‘金矿’，每一次深入研究都能带来意想不到的新发现。”他在麻省理工学院物理系担任助理教授，同时也是材料研究实验室和电子研究实验室的成员。

大约在三年前，巨龙和团队首次发现菱面体五层石墨烯这种新型材料，此次是围绕这种材料研究获得的一个新发现。

在这项新研究中，他们发现当这些由特定材料制成的设备处于接近外太空的低温时，通过改变施加的电压可以使电子固化或形成晶体

“这项研究充分展示了这种材料拥有大量奇异特性，我们为这种本身就极具研究价值的材料又增添了新的研究方向。”这篇论文的共同第一作者路正光说道。此前，他在麻省理工学院从事博士后研究期间完成了这项工作，如今在佛罗里达州立大学任教。

取得这些新发现得益于新定制的一种“过滤器”可以更好地隔离参与实验的设备，使研究团队能够将设备冷却到比早期实验结果低一个数量级的温度。

同时，在极低的温度条件下他们还观测到两种新的电子态，可以说这一发现是对去年研究工作的补充，彼时他们研究发现电子能够分裂成自身的分数。

此外，研究团队还利用两种略有差异的材料“版本”观察到了这些现象，一种由五层原子级薄碳构成，另一种则是由四层构成。“这表明，存在一系列材料都能产生这种现象。”巨龙指出。

事实上，自从巨龙和团队发现菱面体五层石墨烯材料后，他们通过添加其他材料层对其进行深入研究，希望能够强化石墨烯的特性，甚至发现新的机制和现象。

2023 年，巨龙和团队设计出一种菱面体五层石墨烯“三明治”结构，其中“面包”部分由六方氮化硼构成。通过对这个“三明治”施加不同的电压，他们发现了天然石墨中从未出现过的三个重要特性（绝缘、磁性或拓扑）。

去年，他们发现了另一个重要且令人惊讶的现象：当对由菱面体五层石墨烯和六方氮化硼组成的新器件施加电流时，电子分裂成了自身的分数。

这个发现之所以重要，是由于“分数量子霍尔效应”通常只在少数系统中出现且往往需要非常强的磁场。

而巨龙和团队的研究表明，这种现象在没有磁场的情况下也能在一种相对简单的材料中出现，因此，也被称为 “分数量子反常霍尔效应（Fractional quantum anomalous Hall effect）”，其中“反常”表示不需要磁场。

视角回到此次新研究中，巨龙和团队研究发现，当将一般的菱面体石墨烯 / 氮化硼系统冷却至 30 毫开尔文（1 毫开尔文约等于 -273 摄氏度，非常接近绝对零度）时出现了新的现象。

去年的论文中，他们发现电子的 6 种分数态，此次他们又发现了2 种新的分数态。与此同时，他们还观察到在较宽的电子密度范围内出现整数量子反常霍尔效应。

毕竟，此前分数量子反常霍尔效应通常被认为往往出现在电子的“液相”中，类似水的状态。与之不同，团队此次观察到的新状态可看作电子的“固相”，就像电子“冰”的形成，并且在系统电压经过精确调控后，可以在极低温度下与分数量子反常霍尔态共存。

“想象一下，‘整数态’和‘分数态’之间的关系就像是一幅由电压调控绘制出的一幅‘电子地形图’。在这幅图中，不同的电压条件就像是大自然的力量塑造出了各种各样的电子状态。”巨龙解释说。

具体来说，分数量子反常霍尔效应可以看作是一条流动的河流，它象征着电子在材料中的液相，如同液体般自由流动；相比之下，整数量子反常霍尔效应则像是一座巍峨的冰川，代表着电子在材料中的固相，稳定而坚固。

通过调控电压，就如同改变这片“地形”的高低起伏，可以创造出一种独特的“量子景观”，其中“河流”穿过“冰川”，形成了一种动态平衡。

巨龙同时还指出，他和团队不仅在五层菱面体石墨烯中观察到了这些现象，在四层菱面体石墨烯中同样也能观测到。这表明，此类材料可能属于一个更广泛的“量子材料家族”，暗示着未来可能会发现更多拥有类似特性的新材料。

（蜂耘新材料网  责任编辑：科技蜜）