麻省理工学院的研究人员通过将五层石墨烯以精确的顺序堆叠在一起，发现了石墨的独特性质。这种五层斜方体堆叠石墨烯可以表现出绝缘、磁性或拓扑特性，标志着利用创新纳米级显微镜技术在材料物理学领域的重大发现。

麻省理工学院的物理学家们通过分离出以特定顺序堆叠的五片超薄薄片，将石墨或铅笔芯“点石成金”。由此产生的材料可以被调整，表现出天然石墨中从未有过的三种重要特性。

麻省理工学院物理系助理教授、这项工作的负责人Long Ju说："这有点像一站式购物，自然界有很多惊喜，能够承载如此多特性的材料非常罕见。在这种情况下，我们从未意识到所有这些有趣的东西都蕴藏在石墨中。"

这项工作发表在10月5日的《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上。

石墨由石墨烯组成，石墨烯是由单层碳原子排列成类似蜂巢结构的六边形。而石墨烯自 20 年前首次被分离出来后，就一直是人们研究的焦点。大约五年前，包括麻省理工学院的一个研究小组在内的研究人员发现，将单个石墨烯薄片堆叠起来，并以微小的角度相互扭曲，可以赋予这种材料从超导到磁性的新特性。"扭转电子学"领域由此诞生。

在目前的工作中，"我们发现了完全不扭转也能产生的有趣特性"，同在材料研究实验室工作的 Ju 说。

一种特殊石墨（铅笔芯）中可能出现的电子相关性，即电子之间相互对话的能力。资料来源：麻省理工学院电子研究实验室桑普森-威尔科克斯（Sampson Wilcox）

他和同事发现，按照一定顺序排列的五层石墨烯可以让在材料内部移动的电子相互对话。这种现象被称为电子相关性，"是使所有这些新特性成为可能的魔法"，Ju 说。

块状石墨甚至单片石墨烯都是良好的导电体，但仅此而已。Ju及其同事分离出的这种材料被称为五层斜方体堆叠石墨烯，它的性能远远超出了各部分的总和。

新型显微镜及其发现

分离这种材料的关键是Ju于 2021 年在麻省理工学院制造的一种新型显微镜，这种显微镜可以在纳米尺度上快速、相对廉价地确定材料的各种重要特性。五层斜方体堆叠石墨烯的厚度只有几十亿分之一米。

包括Ju在内的科学家们一直在寻找以非常精确的顺序堆叠的多层石墨烯，即所谓的斜方体堆叠。Ju说："五层石墨烯可能有十多种堆叠顺序。斜方体只是其中之一。"Ju制造的显微镜被称为散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM），它使科学家们能够只识别和分离出他们感兴趣的斜方体堆积顺序中的五元层。"

在此基础上，研究小组将电极连接到由氮化硼"面包"组成的微小夹层上，以保护五层斜方体堆叠石墨烯微妙的"肉"。通过电极，他们可以用不同的电压或电量来调节系统。结果是：他们发现，根据充入系统的电子数量，会出现三种不同的现象。

麻省理工学院博士后卢正光、助理教授鞠龙和研究生韩同航在实验室。三人与其他七人共同在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表了一篇关于一种特殊石墨（铅笔芯）的论文。图片来源：Ju实验室

"我们发现这种材料可以是绝缘的、磁性的或拓扑的，"Ju 说。后者与导体和绝缘体都有些关系。从本质上讲，Ju 解释说，拓扑材料允许电子在材料边缘畅通无阻地运动，但不能穿过中间。电子沿着材料边缘的"高速公路"单向运动，中间则是材料的中心。因此，拓扑材料的边缘是完美的导体，而中心则是绝缘体。

"我们的工作将斜方体堆叠多层石墨烯确立为一个高度可调的平台，用于研究强相关和拓扑物理学的这些新可能性，"Ju 和他的合作者在《自然-纳米技术》上总结道。