突破性进展：菱面体石墨烯的半导体潜力与量子奇观

德克萨斯大学达拉斯分校（UT Dallas）的研究团队在菱面体堆叠石墨烯（rhombohedral graphene）领域取得重大突破，单向手性旋转（每层旋转60°）形成了强电子关联系统，展现出奇异的量子特性揭示了其作为可重构半导体的独特性质及量子现象。这一成果为新型电子器件和量子技术开辟了全新路径。

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研究背景与核心发现

德克萨斯大学达拉斯分校（UT Dallas）的研究团队在菱面体堆叠石墨烯（rhombohedral graphene）领域取得重大突破，揭示了其作为可重构半导体的独特性质及量子现象。这一成果为新型电子器件和量子技术开辟了全新路径。

1.堆叠方式决定物性

石墨烯的堆叠方式分为六方堆叠（AB堆叠）和菱面体堆叠（ABC堆叠）。前者结构稳定，但后者通过单向手性旋转（每层旋转60°）形成了强电子关联系统，展现出奇异的量子特性。

实验验证：团队通过栅极电场调控，首次在菱面体石墨烯中观察到连续可调的带隙和电子密度，使其成为首个可通过电场实现半导体性能动态调节的二维材料。

2.低温量子现象

在接近绝对零度的极端低温下（<1K），菱面体石墨烯表现出多重量子态：

新型磁性：电子自旋自发排列形成磁性相；

超导性：电子库珀对的无耗散传输；

量子反常霍尔效应：无需外加磁场即可实现霍尔电阻量子化。

意义：这些现象通常难以共存于单一材料，而菱面体石墨烯的可重构性使其成为研究量子相变的理想平台。

技术突破与实验挑战

1.器件制备革新

团队与德国哥廷根大学、麻省理工学院合作，开发出六方氮化硼（hBN）封装技术，成功隔离菱面体石墨烯的纯净区域，避免传统石墨中AB堆叠区域的干扰。

关键创新：利用扫描隧道显微镜（STM）精确识别堆叠缺陷，实现原子级定位。

2.电场调控优势

通过栅极电压调节，单一器件即可切换半导体-磁性-超导态，突破了传统半导体需化学改性的局限。

应用潜力：为低功耗晶体管、量子计算元件及拓扑电子器件提供材料基础。

全球研究协同验证

1.关联效应与层数关系

湖南大学等团队通过STM光谱学发现，菱面体石墨烯的电子关联强度随层数增加而增强，在六层时达到峰值（~80 meV分裂能），随后因屏蔽效应减弱（图2）。这一发现验证了理论预测，并揭示了层数对量子态的调控作用。

2.高温关联现象

令人惊讶的是，这些强关联效应在液氮温度（77K）下仍稳定存在，远超传统强关联材料（如铜氧化物超导体）的低温需求，为实用化器件开发带来可能。

未来方向与科学意义

量子器件探索：麻省理工学院团队在五层菱面体石墨烯中观测到分数量子反常霍尔效应，而UT Dallas团队正致力于将这种拓扑态与超导态结合，构建马约拉纳费米子载体，推动拓扑量子计算。

材料家族扩展：研究证实，四层、五层及更厚的菱面体石墨烯均可呈现类似量子现象，暗示存在一个奇异量子材料家族。通过异质结设计（如石墨烯-hBN“三明治”结构），有望发现更多未知物态。

学术影响与社会价值

国际认可：德克萨斯大学张帆教授因该领域的开创性工作获2024年洪堡研究奖，其团队成果入选《自然·物理》《科学》等顶刊。

产业转化：美国能源部已将其列为“下一代半导体材料”重点支持项目。

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