菱面体五层石墨烯
石墨烯是一种由单层碳原子以六边形排列形成的材料，自20年前首次被分离以来，一直是凝聚态物理研究的核心。近年来，研究人员发现，通过特定方式堆叠或扭转单层石墨烯，可以赋予其超导性、磁性等新特性，并催生了“扭转电子学”研究领域。
2023年，麻省理工学院的一个研究团队在不涉及扭转的情况下，揭示了一种全新的石墨烯特性。他们发现，当五层石墨烯按照特定顺序堆叠（即菱面体堆叠）时，其电子行为发生了显著变化，远超单层或常规多层石墨烯的特性。研究人员将这种新材料命名为菱面体五层石墨烯，其厚度仅为几十亿分之一米。
为了进一步研究其电子特性，研究团队构建了一个由六方氮化硼和菱面体五层石墨烯组成的“三明治”结构，其中六方氮化硼充当“面包”，而菱面体五层石墨烯则是夹在其中的“肉”。通过调节电极施加的电压或电量，他们发现，随着电子数量的变化，该材料可以表现出绝缘态、磁态和拓扑态，展现出丰富的量子特性。
电子的“部分分裂”现象
2024年，研究团队进一步拓展了对菱面体五层石墨烯-六方氮化硼系统的研究，发现了更令人惊讶的现象：电子的“分数化”。具体而言，他们观察到，在施加电流后，电子的电荷可以表现为分数形式，而非通常的整数电荷。
这种现象被称为分数量子霍尔效应，通常仅在极高磁场环境下才能实现，而此次研究首次证明，即使在无磁场的情况下，该效应仍可在这种相对简单的材料体系中出现。因此，这一现象被称为“分数量子反常霍尔效应”（“反常”意味着无需磁场）。该发现不仅挑战了传统量子霍尔效应的理论框架，还为拓扑量子计算和新型电子材料的研究提供了新的方向。
意想不到的新发现
最近，在一项发表于《自然》杂志的研究中，研究团队进一步探索了菱面体五层石墨烯-六方氮化硼的极端电子行为。当该系统被冷却至30mK（接近绝对零度）时，研究人员发现了比以往更多的电子分数量子态。继去年观察到的6种分数态后，此次研究又新增了2种新的分数态。
更令人惊讶的是，研究团队还发现了另一种不同寻常的电子现象：在较宽的电子密度范围内观察到了整数量子反常霍尔效应。此前，分数量子反常霍尔效应通常被认为出现在一种类似水的电子“液体”相中。而此次研究中，研究团队发现了一种全新的电子态，它更类似于“固体”——可以形象地比作电子“结冰”。更令人惊讶的是，这种电子“固体”相在系统电压经过精细调控并处于极低温条件下时，仍能与分数量子反常霍尔态共存。
可以把整数态和分数态的关系想象成一张由电压调控绘制的“地形图”。在这张图上，不同的电压条件塑造出不同的电子态：分数量子反常霍尔效应就像一条流动的“河流”，代表电子的液体相；而整数量子反常霍尔效应则像静止的“冰川”，代表电子的固体相。调整电压，就像改变地形，可以形成类似于“河流”穿过“冰川”的量子景观。
这一发现不仅揭示了电子态的复杂相互作用，也为理解量子材料中的拓扑相变提供了新的视角。
这张图展示了电子在超低温环境下的不同行为：电子可呈现固态排列（类似冰川结构），或保持液态流动（类似河流）。这些相态由外加电压精确调控。（图/Michael Hurley and Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics）
此外，值得一提的是，研究团队不仅在菱面体五层石墨烯中观察到了这一现象，还在菱面体四层石墨烯中发现了类似行为。这表明该材料可能属于一个更广泛的量子材料家族，并暗示着可能存在更多具备类似特性的材料。
最新研究进一步验证了菱面体多层石墨烯的物理丰富性，并为新型量子材料和电子态的探索开辟了新的方向。
#参考来源：
https://news.mit.edu/2025/mit-physicists-find-unexpected-crystals-electrons-new-ultrathin-material-0226
#图片来源：
封面图&首图：Michael Hurley and Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics
