眾所周知，鉛筆芯由石墨組成。石墨是一種具有特殊層狀結構的碳同素異形體，而石墨烯其實是石墨的一個單層，是由單層碳原子層構成的類似蜂窩狀的二維材料。
每個石墨層內的碳原子以共價鍵相連形成了一個平面六邊形晶格，不同層之間則透過弱範德華力相互堆疊在一起。單純從理論上來講，如果能把鉛筆芯中的石墨一層層剝離開來就能獲得石墨烯。
（來源：MIT News）
所謂“菱面體五層石墨烯”，顧名思義是由五層石墨烯以特定的重疊順序堆疊而成。因此，從這個角度來看，菱面體五層石墨烯其實也屬於鉛筆芯的一種“特殊形態”。
圍繞菱面體五層石墨烯材料，近期麻省理工學院物理系助理教授巨龍和團隊再次取得一項新發現：電子在僅有十億分之一米厚的菱面體五層石墨烯材料中形成了晶體結構。目前，這項研究成果已經發表在 Nature 上，標誌著在理解這種二維材料及其潛在應用方面邁出了重要一步。
這篇論文的其他主要作者還包括麻省理工學院的韓同航和姚宇軒，以及佛羅里達州立大學的路正光，他們三人都是這篇論文的共同第一作者。此外，麻省理工學院的 Jixiang Yang、Junseok Seo、Lihan Shi、Shenyong Ye，以及日本國家材料科學研究所的 Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi 也參與了該項研究。
這項研究得到了斯隆獎學金、Mathworks 獎學金、美國能源部、日本學術振興會 KAKENHI 基金等的支援，研究中相關器件的製造是在哈佛大學奈米系統中心和 MIT.nano 完成。
（來源：Nature）
談及這種名為“菱面體五層石墨烯”的材料時，巨龍表示，“我們就像是發現了一座‘金礦’，每一次深入研究都能帶來意想不到的新發現。”他在麻省理工學院物理系擔任助理教授，同時也是材料研究實驗室和電子研究實驗室的成員。
大約在三年前，巨龍和團隊首次發現菱面體五層石墨烯這種新型材料，此次是圍繞這種材料研究獲得的一個新發現。
在這項新研究中，他們發現當這些由特定材料製成的裝置處於接近外太空的低溫時，透過改變施加的電壓可以使電子固化或形成晶體。
“這項研究充分展示了這種材料擁有大量奇異特性，我們為這種本身就極具研究價值的材料又增添了新的研究方向。”這篇論文的共同第一作者路正光說道。此前，他在麻省理工學院從事博士後研究期間完成了這項工作，如今在佛羅里達州立大學任教。
取得這些新發現得益於新定製的一種“過濾器”可以更好地隔離參與實驗的裝置，使研究團隊能夠將裝置冷卻到比早期實驗結果低一個數量級的溫度。
同時，在極低的溫度條件下他們還觀測到兩種新的電子態，可以說這一發現是對去年研究工作的補充，彼時他們研究發現電子能夠分裂成自身的分數。
此外，研究團隊還利用兩種略有差異的材料“版本”觀察到了這些現象，一種由五層原子級薄碳構成，另一種則是由四層構成。“這表明，存在一系列材料都能產生這種現象。”巨龍指出。
事實上，自從巨龍和團隊發現菱面體五層石墨烯材料後，他們透過新增其他材料層對其進行深入研究，希望能夠強化石墨烯的特性，甚至發現新的機制和現象。
2023 年，巨龍和團隊設計出一種菱面體五層石墨烯“三明治”結構，其中“麵包”部分由六方氮化硼構成。透過對這個“三明治”施加不同的電壓，他們發現了天然石墨中從未出現過的三個重要特性（絕緣、磁性或拓撲）。
去年，他們發現了另一個重要且令人驚訝的現象：當對由菱面體五層石墨烯和六方氮化硼組成的新器件施加電流時，電子分裂成了自身的分數。
這個發現之所以重要，是由於“分數量子霍爾效應”通常只在少數系統中出現且往往需要非常強的磁場。
而巨龍和團隊的研究表明，這種現象在沒有磁場的情況下也能在一種相對簡單的材料中出現，因此，也被稱為 “分數量子反常霍爾效應（Fractional quantum anomalous Hall effect）”，其中“反常”表示不需要磁場。
視角回到此次新研究中，巨龍和團隊研究發現，當將一般的菱面體石墨烯 / 氮化硼系統冷卻至 30 毫開爾文（1 毫開爾文約等於 -273 攝氏度，非常接近絕對零度）時出現了新的現象。
去年的論文中，他們發現電子的 6 種分數態，此次他們又發現了 2 種新的分數態。與此同時，他們還觀察到在較寬的電子密度範圍內出現整數量子反常霍爾效應。
畢竟，此前分數量子反常霍爾效應通常被認為往往出現在電子的“液相”中，類似水的狀態。與之不同，團隊此次觀察到的新狀態可看作電子的“固相”，就像電子“冰”的形成，並且在系統電壓經過精確調控後，可以在極低溫度下與分數量子反常霍爾態共存。
圖｜電子根據施加於新材料上的不同電壓表現出（類似冰的）固態排列或（類似水的）液態流動（來源：MIT News）
“想象一下，‘整數態’和‘分數態’之間的關係就像是一幅由電壓調控繪製出的一幅‘電子地形圖’。在這幅圖中，不同的電壓條件就像是大自然的力量塑造出了各種各樣的電子狀態。”巨龍解釋說。
具體來說，分數量子反常霍爾效應可以看作是一條流動的河流，它象徵著電子在材料中的液相，如同液體般自由流動；相比之下，整數量子反常霍爾效應則像是一座巍峨的冰川，代表著電子在材料中的固相，穩定而堅固。
透過調控電壓，就如同改變這片“地形”的高低起伏，可以創造出一種獨特的“量子景觀”，其中“河流”穿過“冰川”，形成了一種動態平衡。
巨龍同時還指出，他和團隊不僅在五層菱面體石墨烯中觀察到了這些現象，在四層菱面體石墨烯中同樣也能觀測到。這表明，此類材料可能屬於一個更廣泛的“量子材料家族”，暗示著未來可能會發現更多擁有類似特性的新材料。
參考連結：
1.https://doi.org/10.1038/s41586-024-08470-1
2.https://news.mit.edu/2025/mit-physicists-find-unexpected-crystals-electrons-new-ultrathin-material-0226
3.https://news.mit.edu/2024/how-can-electrons-can-split-into-fractions-1118