超燃！諾獎材料組團發Nature/Science, “天才少年”曹原帶你見證諾獎材料的火爆！

石墨烯又被稱為“黑金”、“新材料之王”，被譽為改變21世紀的“神奇材料”，不僅在航空航天、太陽能利用、納米、電子學、生物醫療、復合型材料等領域有廣泛運用，而且在我們服飾、日用品等也獨具商業應用潛能。2010年諾貝爾物理學獎授予對石墨烯研究做出杰出貢獻的英國曼徹斯特大學的科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃索洛夫。作為21世紀“神奇材料”，石墨烯必將會給人類的生活帶來巨大改變，對世界產生顛覆性的影響。本文總結了近期Science和Nature雜志上關于石墨烯領域的突破性成果，和大家一起交流探討。

1、Nature: 石墨烯的氣體滲透性極限

英國曼徹斯特大學諾獎得主A. K. Geim教授團隊使用小的石墨烯密封的單晶容器，研究發現無缺陷的石墨烯是不透水的，其精確度比之前的研究高出8-9個數量級。研究人員能夠辨別出每小時只有幾個氦原子的滲透，這個檢測限也適用于除了氫的所有其他測試氣體（氖、氮、氧、氬、氪和氙）。盡管氫分子比氦分子大，并且要經歷一個更高的能量屏障，但它仍表現出明顯的滲透。這異常的結果歸因于兩階段的過程，涉及在高催化活性的石墨烯波紋處解離氫氣分子，緊隨其后的是吸附的氫原子以相對較低的活化能躍遷到石墨烯片的另一側。該研究工作為二維材料的抗滲性提供了一個關鍵的參考，從基礎研究的角度和它們的潛在應用都具有重要意義。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2070-x

2、Nature：魔角石墨烯中的扭曲角無序和朗道能級

美國麻省理工學院Pablo Jarillo-Herrero教授和“天才少年”曹原使用納米級針尖掃描超導量子干涉裝置(SQUID-on-tip)獲得處于子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，并繪制六方氮化硼(hBN) 封裝的MATBG器件的局部變化圖，其相對精度達到0.002度，并且空間分辨率為幾個莫爾周期。研究發現θ無序程度與MATBG傳輸特性的質量之間存在相關性，并且表明即使是具有相關狀態和超導性的最先進的設備，其θ的局部變化也高達0.1度，具有較大的梯度和跳躍網絡，并且可能包含沒有局部MATBG行為的區域。同時MATBG中的相關狀態相對于扭曲角異常特別脆弱，θ的梯度會產生大的柵極可調諧的平面內電場，即使在金屬區域也不會被屏蔽，從而通過形成邊緣通道而改變量子霍爾態，可能會影響相關態和超導態的相圖。因此，作者確立了扭曲角無序作為一種非傳統類型無序的重要性，從而能確保在結構設計中使用扭曲角梯度，用于相關現象的實現和門-可調的內置平面電場以應用于設備應用程序。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2255-3

3、Nature：扭曲雙層石墨烯中的可調關聯態和自旋極化相

美國麻省理工大學的Pablo Jarillo-Herrero教授和“天才少年”曹原（共同通訊作者）等人報道了一種基于小角扭曲雙層石墨烯（TBBG）的高度可調關聯系統。TBBG具有豐富的相圖，具有可調的相關絕緣體狀態，對扭曲角和電位移場的應用高度敏感，后者反映了貝爾納爾堆疊雙層石墨烯的固有極化率。而關聯態對磁場的響應則表明自旋極化基態的存在，這與魔角扭曲雙層石墨烯完全不同。此外，在較低的扭曲角范圍內，TBBG顯示了接近電荷中性的多組平坦帶，導致許多相關狀態對應于每個這些平坦帶的半填充，所有這些狀態也可以通過位移場進行調整。研究認為，這些結果為在扭曲超晶格中探索扭曲角/電場可控的關聯相提供了機會。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2260-6

4、Nature：魔角扭曲雙層石墨烯中的級聯電子躍遷

美國普林斯頓大學Ali Yazdani教授等人通過高分辨率掃描隧道顯微鏡，發現隨著電子填充，魔角扭曲雙層石墨烯會出現一系列光譜躍遷。每一次整數填充莫爾帶，其化學勢都會明顯變化，低能激發發生重排。這種光譜特征是由于庫倫相互作用所造成的，即簡并的平坦帶分裂為哈伯德子帶。經研究發現，這些相互作用（從實驗上截取的強度）對垂直磁場的存在非常敏感，極大地改變了光譜躍遷。該工作所報道的級聯躍遷，描述了魔角扭曲雙層石墨烯是如何從相關的高溫母態演變出低溫下各種奇妙的絕緣體和超導體基態相。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2339-0

5、Nature：魔角石墨烯中的級聯相變和狄拉克電子特征恢復

美國麻省理工學院P. Jarillo-Herrero教授、以色列魏茨曼科學研究所S. Ilani教授等人報道了對魔角石墨烯的電子態（局部電子壓縮性）進行表征，作者發現當向體系中加入載流子后，發現了四種電子優選態，分別對應了不同的自旋和能谷，同時電子的填充并不是等性填充過程。反之，電子的填充過程經歷了一系列的相轉變過程，其中顯示出在摩爾晶格整數填充附近壓縮的電子態發生非對稱性的躍遷。在每個躍遷的轉化點附近，作者發現發生了重置（resetting）到電中性點的過程，因此在每次整數電子填充后形成了Dirac特征的電子。通過測試面內的磁場與化學勢之間的關系，作者揭示了同時發生的磁化過程，進一步展示了這種相關的對稱性破缺過程。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2373-y

6、Nature：魔角石墨烯中的絕緣態/超導態研究

西班牙巴塞羅那科學技術學院Dmitri K. Efetov教授等人報道了通過改變石墨烯和金屬屏蔽層的間隔距離來直接調節電子的相互作用。在實驗中，他們能夠同時控制電子的速度和相互作用能量，從而將絕緣相變成超導相。研究人員使用了扭轉角大致偏離魔角1.1°的±0.05°的器件，并將這些器件非常靠近金屬屏蔽層，通過絕緣的六邊形氮化硼層將其僅隔開幾納米。這使得他們能夠減少電子之間的排斥力，并加快這些電子的速度，因此允許它們自由移動，逃離絕緣狀態。通過改變不同器件配置中的電壓(載流子密度)，超導相保持，而相關的絕緣體相消失。該研究為理解雙層魔角石墨烯中的絕緣態和超導態之間的關系提供了經驗，并為理解具備強相互作用的超導體系的微觀機制提供了方案。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2459-6

7、Science：在金屬氧化物表面上合成石墨烯納米帶

橡樹嶺國家實驗室A.-P. Li，埃朗根-紐倫堡大學K. Amsharov等人提出了一種表面合成方法，可以直接在半導體金屬氧化物表面上形成原子精確的GNR。研究人員通過含有三個蒽結構的雙溴端基分子DBDFTA作為反應物分子在TiO₂表面反應，首先構建蒽的長鏈分子結構，隨后將蒽之間進行分子內構建更大的芳環。隨后借助大芳環上的應力構成大芳環體系。研究人員通過掃描隧道電子顯微鏡對納米帶中的HOMO、HOMO+1、LUMO、LUMO+1結構進行分析。掃描隧道顯微鏡和光譜證實了由明確定義的之字形末端終止的平面扶手椅式GNR的形成，這也揭示了GNR與金紅石型TiO₂底物之間的相互作用較弱。

文獻鏈接：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/24/science.abb8880.full

8、Nature：兩片雙層石墨烯中可調諧的自旋極化相關態

美國哈佛大學Philip Kim 、Xiaomeng Liu等人使用兩片雙層石墨烯（TDBG）的范德華力異質結構，證明了平坦的電子帶可在一定的扭曲角范圍內通過垂直電場進行調諧。與魔角扭曲雙層石墨烯類似，TDBG在半填充和四分之一填充的平帶處顯示出能量間隙，表明相關絕緣體狀態的出現。研究人員發現，這些絕緣體狀態的間隙隨著平面內磁場的增加而增加，表明存在鐵磁有序。在摻雜半填充絕緣體時，觀察到電阻率隨溫度降低而突然下降。這種臨界行為僅限于在密度-電場平面上的一小部分區域，并且歸因于從正常金屬到自旋極化相關態的相變。在電場可調TDBG中發現自旋極化相關態，為工程交互驅動的量子相提供了一條新的途徑。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2458-7

本文由eric供稿。

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