近年來，通過將兩片稍微歪斜的石墨烯堆疊在一起，產(chǎn)生了非凡的物理現(xiàn)象，包括可調(diào)超導(dǎo)性、量子記憶，以及涉及“水坑”電子團(tuán)的奇怪的新物質(zhì)狀態(tài) —— 該現(xiàn)象出現(xiàn)在兩張紙中六邊形圖案之間的“扭曲”角小到1.1度。由此，所謂的扭曲雙層石墨烯的技術(shù)應(yīng)用開始映入眼簾，神秘的熱、光學(xué)、電子、材料和其他特性正等待開發(fā)。

現(xiàn)在，美國和英國的科學(xué)家已經(jīng)開始探索這些堆疊的2D系統(tǒng)的外部極限：如果這些雙層的現(xiàn)象中只有一層是一個(gè)原子厚呢？在雙層魔法消失之前，可以在主體中添加多少層？令這些研究人員驚訝的是，即使在厚的三維石墨堆中，一些雙層特性仍然存在。

英國曼徹斯特大學(xué)理論物理學(xué)教授Vladimir Falko說：“一段時(shí)間以來，人們普遍認(rèn)為……如果它是一種有很多層的金屬，它的行為就像是三維的。在如此厚的石墨膜中，可以看到二維行為，這是非常不尋常的。”

為了理解薄層量子行為的局限性，華盛頓大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)分別創(chuàng)建了兩個(gè)略有不同的設(shè)置。華盛頓大學(xué)的研究小組在一個(gè)厚石墨堆的頂部有一層石墨烯，以一個(gè)微小的角度扭曲。曼徹斯特大學(xué)的研究小組使用了類似的石墨堆，但在上面覆蓋了一層二維片狀氮化硼。

這兩種方法在其堆疊的頂部兩層之間創(chuàng)建了相同的結(jié)構(gòu)，即所謂的莫爾超晶格。它被稱為超晶格，因?yàn)閮蓪又g的不匹配角度為系統(tǒng)添加了新的莫爾條紋狀圖案。對(duì)于扭曲的石墨烯頂層，失配來自于每個(gè)片的六邊形單元之間的扭曲角，而對(duì)于氮化硼頂層，失配來自于氮化硼和下面石墨的晶格間距略有不同。

當(dāng)受到強(qiáng)磁場時(shí)，莫爾超晶格由于晶格間距的大幅增加而發(fā)生顯著的轉(zhuǎn)變。在這種情況下，一個(gè)明顯更大的磁通量可以進(jìn)一步改變材料本已奇怪的特性。隨著電場的調(diào)諧，薄板的電導(dǎo)率會(huì)周期性地振蕩，這種現(xiàn)象被稱為Brown-Zak振蕩。

研究人員沒有想到他們的頂部有一個(gè)莫爾超晶格層的厚石墨烯堆疊會(huì)表現(xiàn)出任何這樣的效果。畢竟，如上所述的現(xiàn)象僅在一對(duì)（或小陣列）2D片材彼此疊置的情況下觀察到。一塊3D石墨完全是新的領(lǐng)域。研究小組完全有理由懷疑這些奇怪的量子行為在系統(tǒng)中根本看不到。盡管如此，當(dāng)他們調(diào)整磁場時(shí)，研究人員觀察到整個(gè)疊層的電導(dǎo)率發(fā)生了振蕩——這是二維莫爾材料特有的Brown-Zak振蕩。

華盛頓大學(xué)的負(fù)責(zé)人Matthew Yankowitz說：“如果你有18層石墨，而你只將其中一層扭曲1度，你就不會(huì)真正對(duì)材料進(jìn)行很大的結(jié)構(gòu)改變。但整個(gè)石墨堆基本上表現(xiàn)得像一種莫爾材料，盡管它是一種三維材料。所以，我認(rèn)為，這是一種時(shí)髦的新見解?！?/p>

雖然在二維莫爾超晶格中觀察到的超導(dǎo)性質(zhì)和強(qiáng)電子相關(guān)性在三維大塊材料中并不持久，但研究小組觀察到的Brown Zak振蕩表明，即使在厚石墨堆中，也可以采用二維系統(tǒng)的奇異特性。Yankowitz說，可能有一條將這些更迷人的特性重新引入大宗材料的途徑。

此外，在這種較厚的結(jié)構(gòu)中某些2D行為的持續(xù)性可能解釋了早在20世紀(jì)70年代就觀察到的石墨的一些奇怪行為。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的物理學(xué)家Allan MacDonald沒有參與這項(xiàng)工作，他說：“石墨在非常強(qiáng)的磁場中的行為長期以來一直是個(gè)謎。這些新論文可能會(huì)為理解正在發(fā)生的事情提供新的思路?！?/p>

Yankowitz說，這為研究混合維材料開辟了一條新的研究途徑。他說：“目前尚不清楚這將導(dǎo)致什么，但這是理解這些新型混合2D-3D系統(tǒng)的基礎(chǔ)?！?/p>

責(zé)任編輯：彭菁