麻省理工學院的研究人員透過將五層石墨烯以精確的順序堆疊在一起，發現了石墨的獨特性質。這種五層斜方體堆疊石墨烯可以表現出絕緣、磁性或拓撲特性，標誌著利用創新奈米級顯微鏡技術在材料物理學領域的重大發現。

麻省理工學院的物理學家們透過分離出以特定順序堆疊的五片超薄薄片，將石墨或鉛筆芯「點石成金」。由此產生的材料可以被調整，表現出天然石墨中從未有過的三種重要特性。

麻省理工學院物理系助理教授、這項工作的負責人Long Ju說：「這有點像一站式購物，自然界有很多驚喜，能夠承載如此多特性的材料非常罕見。在這種情況下，我們從未意識到所有這些有趣的東西都蘊藏在石墨中。”

這項工作發表在10月5日的《自然-奈米技術》（Nature Nanotechnology）雜誌上。

石墨由石墨烯組成，石墨烯是由單層碳原子排列成類似蜂巢結構的六邊形。而石墨烯自20 年前首次分離後，就一直是人們研究的焦點。大約五年前，包括麻省理工學院的一個研究小組在內的研究人員發現，將單個石墨烯薄片堆疊起來，並以微小的角度相互扭曲，可以賦予這種材料從超導到磁性的新特性。”扭轉電子學”領域由此誕生。

在目前的工作中，”我們發現了完全不扭轉也能產生的有趣特性”，同在材料研究實驗室工作的Ju 說。

一種特殊石墨（鉛筆芯）中可能出現的電子相關性，即電子之間相互對話的能力。資料來源：麻省理工學院電子研究實驗室桑普森-威爾科克斯（Sampson Wilcox）

他和同事發現，依照一定順序排列的五層石墨烯可以讓在材料內部移動的電子互相對話。這種現像被稱為電子相關性，”是使所有這些新特性成為可能的魔法”，Ju 說。

塊狀石墨甚至單片石墨烯都是良好的導電體，但僅此而已。Ju及其同事分離出的這種材料被稱為五層斜方體堆疊石墨烯，它的性能遠遠超出了各部分的總和。

新型顯微鏡及其發現

分離這種材料的關鍵是Ju於2021 年在麻省理工學院製造的一種新型顯微鏡，這種顯微鏡可以在奈米尺度上快速、相對廉價地確定材料的各種重要特性。五層斜方體堆疊石墨烯的厚度只有幾十億分之一公尺。

包括Ju在內的科學家一直在尋找以非常精確的順序堆疊的多層石墨烯，即所謂的斜方體堆疊。Ju說：”五層石墨烯可能有十多種堆疊順序。斜方體只是其中之一。”Ju製造的顯微鏡被稱為散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM），它使科學家們能夠只辨識並分離出他們感興趣的斜方體堆積順序中的五元層。”

在此基礎上，研究小組將電極連接到由氮化硼”麵包”組成的微小夾層上，以保護五層斜方體堆疊石墨烯微妙的”肉”。透過電極，他們可以用不同的電壓或電量來調節系統。結果是：他們發現，根據充入系統的電子數量，會出現三種不同的現象。

麻省理工學院博士後盧正光、助理教授鞠龍和研究生韓同航在實驗室。三人與其他七人共同在《自然-奈米技術》（Nature Nanotechnology）上發表了一篇關於特殊石墨（鉛筆芯）的論文。圖片來源：Ju實驗室

“我們發現這種材料可以是絕緣的、磁性的或拓撲的，”Ju 說。後者與導體和絕緣體都有些關係。從本質上講，Ju 解釋說，拓撲材料允許電子在材料邊緣暢通無阻地運動，但不能穿過中間。電子沿著材料邊緣的”高速公路”單向運動，中間則是材料的中心。因此，拓樸材料的邊緣是完美的導體，而中心則是絕緣體。

“我們的工作將斜方體堆疊多層石墨烯確立為一個高度可調的平台，用於研究強相關和拓撲物理學的這些新可能性，”Ju 和他的合作者在《自然-奈米技術》上總結。