按特定顺序堆叠5层石墨烯，铅笔芯巧变电子“黄金”

美国麻省理工学院物理学家通过分离按特定顺序堆叠的5层超薄石墨烯薄片，将石墨或铅笔芯变成了“黄金材料”，通过调整所得材料，可使其表现出在天然石墨中从未见过的3种重要特性。研究成果发表在《自然·纳米技术》杂志上。

麻省理工学院的研究人员通过以精确的顺序堆叠5层石墨烯，发现了石墨的独特性质。这种5层菱面体堆叠石墨烯可以表现出绝缘、磁性或拓扑特性，标志着使用创新纳米级显微镜技术在材料物理学中的重大发现。
图片来源：桑普森·威尔考克斯/麻省理工学院电子研究实验室

石墨由碳组成，而石墨烯是排列成六边形的单层碳原子。石墨烯自大约20年前分离出来以后，一直是深入研究的焦点。此前研究人员发现，堆叠单片石墨烯，并将它们以微小角度扭转，可以赋予材料从超导到磁性等新特性。

艺术渲染图表现了电子相关性或电子相互“交谈”的能力，这种能力可能发生在一种特殊的石墨（铅笔芯）中。
图片来源：桑普森·威尔考克斯/麻省理工学院电子研究实验室

新研究则发现，按一定顺序排列的5层石墨烯，可让材料内部移动的电子相互通信，这种电子关联现象堪比“魔力”，该材料表现出的特性堪称电子领域“黄金材料”。研究人员将分离出的材料称为5层菱面体堆叠石墨烯，其厚度仅为十亿分之几米。分离该材料的关键是散射型扫描近场光学显微镜，它可快速且相对便宜地确定材料的各种重要特性。

团队将电极连接到一个由氮化硼“面包”组成的小三明治结构上，再用不同的电压来调整系统。结果，他们发现电子数量会出现3种不同的变化，导致这种材料可能是绝缘的、磁性的或拓扑的。

研究人员解释说，从本质上讲，拓扑材料允许电子在材料边缘不受阻碍地运动，但不能穿过中间。电子沿着材料边缘的“高速公路”朝一个方向行进，该“高速公路”被构成材料中心的中线隔开。因此拓扑材料的边缘是完美导体，而中心是绝缘体。

这一成果为研究强相关、拓扑物理等新领域开辟了道路。

信息时代的“摩天大楼”建筑在硅这种极其常见的元素上，然而，再华丽的大厦也会受到地基的限制。当信息时代发展到一定程度，我们迫切需要新的元素，建起新的“高楼”。本文提到，堆叠单片石墨烯，材料就拥有了神奇性能。碳比硅更为常见，或将是未来信息技术的载体。碳材料无所不能：最硬、最软，绝缘体、半导体、超导体，隔热、超导热，吸光、全透光……但要发掘碳的潜力，得靠几十年实验研发的积累——看似寻常最奇崛，成如容易却艰辛。