按特定順序堆疊5層石墨烯，鉛筆芯巧變電子“黃金”

美國麻省理工學院物理學家通過分離按特定順序堆疊的5層超薄石墨烯薄片，將石墨或鉛筆芯變成了“黃金材料”，通過調整所得材料，可使其表現出在天然石墨中從未見過的3種重要特性。研究成果發表在《自然·納米技術》雜志上。

　　麻省理工學院的研究人員通過以精確的順序堆疊5層石墨烯，發現了石墨的獨特性質。這種5層菱面體堆疊石墨烯可以表現出絕緣、磁性或拓撲特性，標志著使用創新納米級顯微鏡技術在材料物理學中的重大發現。

　　圖片來源：桑普森·威爾考克斯/麻省理工學院電子研究實驗室

　　石墨由碳組成，而石墨烯是排列成六邊形的單層碳原子。石墨烯自大約20年前分離出來以后，一直是深入研究的焦點。此前研究人員發現，堆疊單片石墨烯，并將它們以微小角度扭轉，可以賦予材料從超導到磁性等新特性。

　　藝術渲染圖表現了電子相關性或電子相互“交談”的能力，這種能力可能發生在一種特殊的石墨（鉛筆芯）中。

　　新研究則發現，按一定順序排列的5層石墨烯，可讓材料內部移動的電子相互通信，這種電子關聯現象堪比“魔力”，該材料表現出的特性堪稱電子領域“黃金材料”。研究人員將分離出的材料稱為5層菱面體堆疊石墨烯，其厚度僅為十億分之幾米。分離該材料的關鍵是散射型掃描近場光學顯微鏡，它可快速且相對便宜地確定材料的各種重要特性。

　　團隊將電極連接到一個由氮化硼“面包”組成的小三明治結構上，再用不同的電壓來調整系統。結果，他們發現電子數量會出現3種不同的變化，導致這種材料可能是絕緣的、磁性的或拓撲的。

　　研究人員解釋說，從本質上講，拓撲材料允許電子在材料邊緣不受阻礙地運動，但不能穿過中間。電子沿著材料邊緣的“高速公路”朝一個方向行進，該“高速公路”被構成材料中心的中線隔開。因此拓撲材料的邊緣是完美導體，而中心是絕緣體。

　　這一成果為研究強相關、拓撲物理等新領域開辟了道路。

　　信息時代的“摩天大樓”建筑在硅這種極其常見的元素上，然而，再華麗的大廈也會受到地基的限制。當信息時代發展到一定程度，我們迫切需要新的元素，建起新的“高樓”。本文提到，堆疊單片石墨烯，材料就擁有了神奇性能。碳比硅更為常見，或將是未來信息技術的載體。碳材料無所不能：最硬、最軟，絕緣體、半導體、超導體，隔熱、超導熱，吸光、全透光……但要發掘碳的潛力，得靠幾十年實驗研發的積累——看似尋常最奇崛，成如容易卻艱辛。