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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，薄到致。但把它层层摞起来时，层与层之间如何错位——用业术语叫作堆垛式——会改写材料的“脾气”。其中种叫菱堆垛的排列式，因其特的电子结构有望催生、拓扑量子态等奇异物，因此它也是热力学上的“不安定因素”，难稳定制备。北京大学物理学院刘开辉教授、卢晓波研究员、张志斌特聘研究员联多作单位，日前发展出种“台阶几何引外延”策略，次实现了大面积、纯度菱堆垛石墨烯的可控制备。

刘开辉介绍，自1924年科学次解析出石墨中常见的AB堆垛，即相邻层错开定距离的常规排列，过去百年间，人们对石墨和石墨烯质的研究几乎都建立在这常规结构之上。然而，菱堆垛是三层个循环，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，成为探索强电子关联和量子应的佳平台。

“问题在于，菱堆垛在热力学上属于亚稳态。”刘开辉指出，它就像颗立在坡顶的球，稍有扰动就滚回能量低的AB堆垛。“长期以来，实验室里想获得菱石墨烯，只能靠‘撕胶带’云南泡沫板专用胶，机械剥离出大堆石墨烯碎片，在显微镜下大海捞针，偶然找到那么两片菱堆垛的‘幸运儿’。大面积、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”，能不能让它从开始就“长对地”？团队设计了套“台阶”案：在基底上预先做出纳米尺度的台阶，让石墨烯像垒积木样，PVC管道管件粘结胶沿着台阶层层往上摞。台阶的低和朝向，恰好卡死了层与层之间的滑移向。他们还出了佳参数：台阶够陡、朝向够正，石墨烯就能老老实实摞成菱排列。照着这个，他们做出了份“生长指南”。

“团队造出来的样品纯度过99，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，未来还有望动平带量子材料、强关联电子体系以及新代拓扑量子器件的发展。

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菱堆垛有什么用？

菱堆垛的石墨烯有个“能力”：电子彼此间的相互作用强，集体表现出、磁等奇特行为。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致的集体，像支训练有素的“乐队”。

研究这种体系有多重要？传统半体靠控制电子个个“流过去”来工作，本质上像个“单行道”——率有天花板。而强关联体系里的电子可以集体“共振”，像支乐队奏响同个音符，能耗低、速度快。科学寄希望于用它造出拓扑量子比特，种对噪声几乎疫的量子计基本单元；甚至用它实现室温体，让输电不再有损耗。

过去这条路上大的拦路虎不是理论，而是材料。科学想研究菱石墨烯，只能靠碰运气，即在成百上千的碎片里翻找，偶尔捞到片“幸运儿”。这次研究团队把制备纯度提升到99以上、尺寸到百微米，相当于把这条只能步行的小径，拓宽成可以通车的大路。

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