自15年前發(fā)現(xiàn)石墨烯以來(lái)，研究人員一直在全球范圍內(nèi)探索其獨(dú)特性能。石墨烯(一種以六角形晶格排列的單原子厚的碳片)不僅是人類已知的最堅(jiān)固，最薄的材料，而且還是熱和電的絕佳導(dǎo)體。

現(xiàn)在，哥倫比亞大學(xué)和華盛頓大學(xué)的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，三層石墨烯結(jié)構(gòu)中可能會(huì)出現(xiàn)各種奇特的電子態(tài)，包括稀有形式的磁性。

該發(fā)現(xiàn)發(fā)表在10月12日《自然物理學(xué)》上的一篇文章中。

這項(xiàng)工作的靈感來(lái)自對(duì)石墨烯的扭曲單層或扭曲雙層的最新研究，該研究包括兩層或四層石墨烯。發(fā)現(xiàn)這些材料具有一系列不尋常的電子態(tài)，這些態(tài)由電子之間的強(qiáng)相互作用驅(qū)動(dòng)。

哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授，論文的資深作者之一科里·迪恩說(shuō)：“我們想知道如果將石墨烯單層和雙層結(jié)合到一個(gè)扭曲的三層系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生什么。” “我們發(fā)現(xiàn)改變石墨烯層的數(shù)量使這些復(fù)合材料具有一些以前從未見過(guò)的令人興奮的新特性。”

除院長(zhǎng)外，華盛頓大學(xué)物理學(xué)和材料科學(xué)與工程系的助理教授Matthew Yankowitz教授和Xu Xiaodong Xu教授是這項(xiàng)工作的資深作者。哥倫比亞大學(xué)的研究生Chenowen Chen和華盛頓大學(xué)的研究生Minhao He是該論文的共同主要作者。

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究人員將石墨烯的單層片材堆疊到雙層片材上，并扭曲了大約1度。在高于絕對(duì)零值幾度的溫度下，研究小組觀察到由電子之間的強(qiáng)相互作用驅(qū)動(dòng)的一系列絕緣狀態(tài)(不導(dǎo)電)。他們還發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)在石墨烯片上施加電場(chǎng)來(lái)控制這些狀態(tài)。

“我們了解到，施加電場(chǎng)的方向非常重要，”也是Dean研究小組的前博士后研究員的揚(yáng)科維茨說(shuō)。

當(dāng)研究人員將電場(chǎng)指向單層石墨烯片時(shí)，該系統(tǒng)類似于扭曲的雙層石墨烯。但是，當(dāng)他們翻轉(zhuǎn)電場(chǎng)方向并將其指向雙層石墨烯片時(shí)，它模仿了扭曲的雙層雙層石墨烯-四層結(jié)構(gòu)。

研究小組還發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)中的新磁性狀態(tài)。他們觀察到，與傳統(tǒng)的磁體受稱為“自旋”的電子的量子力學(xué)特性驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)的磁體不同，該團(tuán)隊(duì)三層結(jié)構(gòu)中電子的集體回旋運(yùn)動(dòng)是磁性的基礎(chǔ)。

最近，其他研究人員在位于氮化硼晶體上的各種石墨烯結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了這種磁性形式。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已證明，在完全由石墨烯構(gòu)成的更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中也可以觀察到它。

“純碳不是磁性的，”揚(yáng)科維茨說(shuō)。“值得注意的是，我們可以通過(guò)將三個(gè)石墨烯片恰好以正確的扭曲角度布置來(lái)實(shí)現(xiàn)這一特性。”

除了磁性，這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)中的拓?fù)溘E象。與在繩索中打結(jié)不同類型的結(jié)類似，這種材料的拓?fù)涮匦钥赡軙?huì)導(dǎo)致新形式的信息存儲(chǔ)，“這可能是量子計(jì)算的平臺(tái)或新型的節(jié)能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用，” Xu說(shuō)。

目前，他們正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步了解他們?cè)谠撈脚_(tái)中發(fā)現(xiàn)的新狀態(tài)的基本特性。揚(yáng)科維茨說(shuō)：“這實(shí)際上僅僅是開始。”