菱面體五層石墨烯

石墨烯是一種由單層碳原子以六邊形排列形成的材料，自20年前首次被分離以來，一直是凝聚態物理研究的核心。近年來，研究人員發現，通過特定方式堆疊或扭轉單層石墨烯，可以賦予其超導性、磁性等新特性，并催生了“扭轉電子學”研究領域。

2023年，麻省理工學院的一個研究團隊在不涉及扭轉的情況下，揭示了一種全新的石墨烯特性。他們發現，當五層石墨烯按照特定順序堆疊（即菱面體堆疊）時，其電子行為發生了顯著變化，遠超單層或常規多層石墨烯的特性。研究人員將這種新材料命名為菱面體五層石墨烯，其厚度僅為幾十億分之一米。

為了進一步研究其電子特性，研究團隊構建了一個由六方氮化硼和菱面體五層石墨烯組成的“三明治”結構，其中六方氮化硼充當“面包”，而菱面體五層石墨烯則是夾在其中的“肉”。通過調節電極施加的電壓或電量，他們發現，隨著電子數量的變化，該材料可以表現出絕緣態、磁態和拓撲態，展現出豐富的量子特性。

電子的“部分分裂”現象

2024年，研究團隊進一步拓展了對菱面體五層石墨烯-六方氮化硼系統的研究，發現了更令人驚訝的現象：電子的“分數化”。具體而言，他們觀察到，在施加電流后，電子的電荷可以表現為分數形式，而非通常的整數電荷。

這種現象被稱為分數量子霍爾效應，通常僅在極高磁場環境下才能實現，而此次研究首次證明，即使在無磁場的情況下，該效應仍可在這種相對簡單的材料體系中出現。因此，這一現象被稱為“分數量子反常霍爾效應”（“反常”意味著無需磁場）。該發現不僅挑戰了傳統量子霍爾效應的理論框架，還為拓撲量子計算和新型電子材料的研究提供了新的方向。

意想不到的新發現

最近，在一項發表于《自然》雜志的研究中，研究團隊進一步探索了菱面體五層石墨烯-六方氮化硼的極端電子行為。當該系統被冷卻至30mK（接近絕對零度）時，研究人員發現了比以往更多的電子分數量子態。繼去年觀察到的6種分數態后，此次研究又新增了2種新的分數態。

更令人驚訝的是，研究團隊還發現了另一種不同尋常的電子現象：在較寬的電子密度范圍內觀察到了整數量子反常霍爾效應。此前，分數量子反常霍爾效應通常被認為出現在一種類似水的電子“液體”相中。而此次研究中，研究團隊發現了一種全新的電子態，它更類似于“固體”——可以形象地比作電子“結冰”。更令人驚訝的是，這種電子“固體”相在系統電壓經過精細調控并處于極低溫條件下時，仍能與分數量子反常霍爾態共存。

可以把整數態和分數態的關系想象成一張由電壓調控繪制的“地形圖”。在這張圖上，不同的電壓條件塑造出不同的電子態：分數量子反常霍爾效應就像一條流動的“河流”，代表電子的液體相；而整數量子反常霍爾效應則像靜止的“冰川”，代表電子的固體相。調整電壓，就像改變地形，可以形成類似于“河流”穿過“冰川”的量子景觀。?

這一發現不僅揭示了電子態的復雜相互作用，也為理解量子材料中的拓撲相變提供了新的視角。

這張圖展示了電子在超低溫環境下的不同行為：電子可呈現固態排列（類似冰川結構），或保持液態流動（類似河流）。這些相態由外加電壓精確調控。（圖/Michael Hurley and Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics）

此外，值得一提的是，研究團隊不僅在菱面體五層石墨烯中觀察到了這一現象，還在菱面體四層石墨烯中發現了類似行為。這表明該材料可能屬于一個更廣泛的量子材料家族，并暗示著可能存在更多具備類似特性的材料。

最新研究進一步驗證了菱面體多層石墨烯的物理豐富性，并為新型量子材料和電子態的探索開辟了新的方向。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/mit-physicists-find-unexpected-crystals-electrons-new-ultrathin-material-0226

https://news.mit.edu/2023/mit-physicists-turn-pencil-lead-into-gold-1114

https://news.mit.edu/2024/electrons-become-fractions-graphene-study-finds-0221

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08470-1

#圖片來源：

封面圖&首圖：Michael Hurley and Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics