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麻省理工學(xué)院物理學(xué)家將鉛筆芯變成“金”

編輯： 哈爾濱童程童美少兒編程培訓(xùn)南崗哈西校區(qū) 更新時間：2024/10/25 16:02 瀏覽7次

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分離出可以調(diào)整以表現(xiàn)出三個重要特性的薄片

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家通過分離按特定順序堆疊的五片超薄薄片，將石墨或鉛筆芯變成了黃金。然后可以調(diào)整所得材料以表現(xiàn)出天然石墨中從未見過的三種重要特性。

“這有點像一站式購物，”麻省理工學(xué)院物理系助理教授、這項工作的負責(zé)人龍 居說，這項工作發(fā)表在 10 月 5 日 的 《自然·納米技術(shù)》雜志上。“大自然有很多驚喜。在這種情況下，我們從未意識到所有這些有趣的東西都嵌入在石墨中。”

此外，他說：“能夠找到具有如此多特性的材料是非常罕見的。”

石墨由石墨烯組成，石墨烯是單層碳原子排列成六邊形，類似蜂窩結(jié)構(gòu)。石墨烯自大約 20 年前首次分離出來以來，一直是深入研究的焦點。大約五年前，包括麻省理工學(xué)院的一個團隊在內(nèi)的研究人員發(fā)現(xiàn)，堆疊單片石墨烯，并將它們以微小角度扭轉(zhuǎn)，可以賦予材料新的特性，從超導(dǎo)到磁性。“雙電子學(xué)”領(lǐng)域誕生了。

 在目前的工作中，“我們發(fā)現(xiàn)了完全沒有扭曲的有趣特性，”同屬于材料研究實驗室的朱說。

他和同事發(fā)現(xiàn)，按一定順序排列的五層石墨烯可以讓在材料內(nèi)部移動的電子相互通信。Ju 說，這種被稱為電子關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象“是使所有這些新特性成為可能的魔力”。

 大塊石墨——甚至單片石墨烯——都是良好的電導(dǎo)體，但僅此而已。Ju和同事分離出的材料，他們將其稱為五層菱面體堆疊石墨烯，其作用遠遠大于其各部分的總和。

新型顯微鏡

分離該材料的關(guān)鍵是 Ju 于 2021 年在麻省理工學(xué)院制造的新型顯微鏡 ，它可以快速且相對便宜地確定納米尺度材料的各種重要特性。五層菱面體堆疊石墨烯的厚度僅為十億分之幾米。

Ju 等科學(xué)家一直在尋找以非常的順序堆疊的多層石墨烯，即菱面體堆疊。Ju 說，“當你達到五層時，可能有超過 10 種堆疊順序。菱面體只是其中。” Ju建造的顯微鏡被稱為散射型掃描近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM），使科學(xué)家能夠僅識別和分離出他們感興趣的菱面體堆疊順序的五層結(jié)構(gòu)。

三合一

從那里，研究小組將電極連接到一個由氮化硼“面包”組成的小三明治上，以保護五層菱面體堆疊石墨烯的精致“肉”。電極使他們能夠用不同的電壓或電量來調(diào)整系統(tǒng)。結(jié)果：他們發(fā)現(xiàn)根據(jù)淹沒系統(tǒng)的電子數(shù)量會出現(xiàn)三種不同的現(xiàn)象。

“我們發(fā)現(xiàn)這種材料可能是絕緣的、磁性的或拓撲的，”朱說。后者與導(dǎo)體和絕緣體都有些關(guān)系。Ju解釋說，從本質(zhì)上講，拓撲材料允許電子在材料邊緣不受阻礙地運動，但不能穿過中間。電子沿著材料邊緣的“高速公路”朝一個方向行進，該“高速公路”被構(gòu)成材料中心的中線隔開。因此拓撲材料的邊緣是完美導(dǎo)體，而中心是絕緣體。

“我們的工作將菱面體堆疊多層石墨烯建立為一個高度可調(diào)的平臺，以研究強相關(guān)和拓撲物理的這些新可能性，”朱和他的合著者在《 自然納米技術(shù)》上總結(jié)道。

除了鞠之外，該論文的作者還有韓同航和陸正光。韓是物理系研究生；盧博士是材料研究實驗室的博士后。兩人是該論文的共同較好作者。

其他作者包括哈佛大學(xué)的 Giovanni Scuri、Jiho Sung、Jue Wang 和 Hongkun Park；日本國家材料科學(xué)研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi，以及麻省理工學(xué)院物理學(xué)的 Tianyi Han。

這項工作得到了斯隆獎學(xué)金的支持；美國國家科學(xué)基金會；美國負責(zé)研究和工程的國防部副部長辦公室；日本學(xué)術(shù)振興會KAKENHI；日本世界*研究計劃；和美國空軍科學(xué)研究辦公室。

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