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多年來，科學家們一直在探索由單層原子組成的二維材料的潛力，以徹底改變計算、通信和能源等各個領域。在這些材料中，電子等亞原子粒子只能在二維空間運動，這導致了電子的異常行為和所謂的“奇異”特性。這些特性包括奇異的磁性、超導性和電子間的其他集體行為——所有這些都可能在計算、通信、能源和其他領域大有用武之地。
 

傳統(tǒng)上，研究人員認為這些奇異的二維特性只存在于單層薄片或短堆棧中，而這些材料的所謂“塊體”版本則由于其復雜的三維原子結構而表現出不同的行為。
 

與上述假設相反，華盛頓大學領導的研究小組于7月19日在《自然》雜志上發(fā)表的一項突破性研究表明，有可能賦予石墨這種日常鉛筆中的大塊三維材料以類似于其二維對應物石墨烯的特性。這一突破不僅出乎意料，研究小組還認為其方法可用于測試類似類型的塊狀材料是否也能具有類似二維的特性。如果是這樣，二維薄片將不會是科學家們推動技術革命的唯一來源，塊狀三維材料可能同樣有用。
 

“將單層堆疊在單層上——或將兩層堆疊在兩層上——幾年來一直是揭示二維材料新物理特性的重點。在這些實驗方法中，出現了許多有趣的特性，”資深作者、物理學和材料科學與工程學助理教授馬修·揚科維茨（Matthew Yankowitz）說，“但是，如果不斷增加層數會發(fā)生什么呢？最終它會停止，對嗎？這就是直覺的暗示。但在這種情況下，直覺是錯誤的。在三維材料中混合二維特性是可能的。”
 

由大阪大學和日本國立材料科學研究所的學者組成的研究小組采用了一種常用的方法來處理二維材料。他們以很小的扭曲角度將二維薄片堆疊在一起。研究人員將單層石墨烯置于薄的塊狀石墨晶體之上，并在兩者之間引入了約1度的扭曲角。他們不僅在扭曲的界面上，而且在塊狀石墨內部發(fā)現了新穎的、意想不到的電學特性。
 

揚科維茨解釋說，扭曲角對于產生這些特性至關重要。二維薄片（如兩片石墨烯）之間的扭曲角度會產生所謂的摩爾紋，從而改變電子等帶電粒子的流動，誘導材料產生奇特的性質。
 

在石墨和石墨烯的實驗中，扭轉角度也誘發(fā)了摩爾紋，產生了令人驚訝的結果。僅在石墨烯-石墨界面引入的扭曲改變了整個石墨材料的電特性。當施加磁場時，石墨晶體深處的電子表現出與扭曲界面類似的異常特性。從本質上講，單個扭曲的石墨烯-石墨界面變得與塊狀石墨的其他部分密不可分地混合在一起。
 

“雖然我們只是在石墨表面產生摩爾紋，但由此產生的特性卻滲透到整個晶體中，”共同第一作者、華盛頓大學物理學博士后研究員達肯·沃特斯（Dacen Waters）說。
 

對于二維薄片來說，摩爾紋產生的特性可用于量子計算和其他應用。在三維材料中誘導類似的現象，將為研究不尋常和奇異的物質狀態(tài)以及如何將它們帶出實驗室、帶入我們的日常生活提供新的方法。
 

共同第一作者、華盛頓大學物理學博士生埃利斯·湯普森（Ellis Thompson）說：“整個晶體都呈現出這種二維狀態(tài)。這是影響塊體材料中電子行為的一種全新方式。”
 

揚科維茨和他的團隊認為，他們在石墨烯和塊狀石墨晶體之間產生扭轉角的方法可以用來制造其姊妹材料的2D-3D混合體，包括二碲化鎢和五碲化鋯。這將開啟一種新方法，利用單一二維界面重新設計傳統(tǒng)塊體材料的特性。
 

揚科維茨說：“這種方法可以成為研究具有混合二維和三維特性的材料中令人興奮的新物理現象的一個真正豐富的樂園。”