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本报北京8月3日电（记者晋浩天）石墨烯，单层碳原子排成的蜂窝薄膜，薄到极致。但把它一层层摞起来时，层与层之间如何错位——用专业术语叫作堆垛方式——会彻底改写材料的“脾气”。其中一种叫菱方堆垛的排列方式，因其独特的电子结构有望催生超导、拓扑量子态等奇异物性，因此它也是热力学上的“不安定因素”，极难稳定制备。北京大学物理学院刘开辉教授、卢晓波研究员、张志斌特聘副研究员联合多家合作单位，日前发展出一种“台阶几何引导外延”策略，首次实现了大面积、高纯度菱方堆垛石墨烯的可控制备。
刘开辉介绍，自1924年科学家首次解析出石墨中最常见的AB堆垛，即相邻层错开一定距离的常规排列，过去百年间，人们对石墨和石墨烯性质的研究几乎都建立在这一常规结构之上。然而，菱方堆垛是三层一个循环，层层滑移，只是换了个“坐姿”，却能凭空产生平带电子结构和拓扑特性，成为探索强电子关联和量子效应的绝佳平台。
“问题在于，菱方堆垛在热力学上属于亚稳态。”刘开辉指出，它就像一颗立在坡顶的球，稍有扰动就滚回能量更低的AB堆垛。“长期以来，实验室里想获得菱方石墨烯，只能靠‘撕胶带’，机械剥离出一大堆石墨烯碎片，在显微镜下大海捞针，偶然找到那么一两片菱方堆垛的‘幸运儿’。大面积、高纯度、可重复的制备，始终遥不可及。”
研究团队由此引发思考：既然拦不住它“滑回去”，能不能让它从一开始就“长对地方”？团队设计了一套“台阶”方案：在基底上预先做出纳米尺度的台阶，让石墨烯像垒积木一样，沿着台阶一层一层往上摞。台阶的高低和朝向，恰好卡死了层与层之间的滑移方向。他们还算出了最佳参数：台阶够陡、朝向够正，石墨烯就能老老实实摞成菱方排列。照着这个配方，他们做出了一份“生长指南”。
“团队造出来的样品纯度超过99%，最大尺寸160微米乘以80微米，薄则十几层、厚则几百层，皆可按需调节。”刘开辉说，此次成果更重要的启发在于，这种堆垛序列工程的思路不限于石墨烯，未来还有望推动平带量子材料、强关联电子体系以及新一代拓扑量子器件的发展。
【新知解码】
菱方堆垛有什么用？
菱方堆垛的石墨烯有一个天然“超能力”：电子彼此间的相互作用强，集体表现出超导、磁性等奇特行为。这在物理学上叫“强电子关联”——电子不再是各自乱跑的粒子，而是有着充分沟通的步调一致的集体，像一支训练有素的“乐队”。
研究这种体系有多重要？传统半导体靠控制电子一个个“流过去”来工作，本质上像个“单行道”——效率有天花板。而强关联体系里的电子可以集体“共振”，像一支乐队奏响同一个音符，能耗极低、速度极快。科学家寄希望于用它造出拓扑量子比特，一种对噪声几乎免疫的量子计算基本单元；甚至用它实现室温超导体，让输电不再有损耗。
过去这条路上最大的拦路虎不是理论，而是材料。科学家想研究菱方石墨烯，只能靠碰运气，即在成百上千的碎片里翻找，偶尔捞到一片“幸运儿”。这次研究团队把制备纯度提升到99%以上、尺寸推到百微米级，相当于把这条只能步行的小径，拓宽成可以通车的大路。
（本报记者 晋浩天）
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