科学家发现一类可能具有革命意义的晶体性质

科学家们表示，互晶体（intercrystals）展现出新发现的电子特性形式，这可能为开发更高效的电子元件、量子计算和环保材料铺平道路。

根据《自然·材料》（Nature Materials）科学期刊的一份报告描述，科学家将两层极薄的石墨烯堆叠——每层都是由碳原子按六边形网格排列成的单原子厚度薄片。他们将这两层石墨烯轻微扭转后置于六方氮化硼层（一种由硼和氮组成的六边形晶体）之上。研究人员发现，层间形成的微妙错位产生了莫尔条纹（类似两层细网叠加时出现的图案），这显著改变了电子在材料中的运动方式。

"我们的发现为材料设计开辟了新路径，"该研究通讯作者、罗格斯大学文理学院物理与天文系理事会教授伊娃·安德烈（Eva Andrei）表示，"互晶体赋予我们仅通过几何结构控制电子行为的新方法，而无需改变材料的化学成分。"

研究人员指出，通过理解和控制互晶体中电子的独特性质，科学家可将其用于开发更高效的晶体管和传感器等技术，而以往这些技术需要更复杂的材料组合及加工工艺。

"可以设想设计一个完整电子电路，其中切换、传感、信号传播等所有功能都通过原子尺度的几何结构调整来实现，"该研究合著者、物理学副教授杰迪代亚·皮克斯利（Jedediah Pixley）说，"互晶体可能成为此类未来技术的构建基石。"

这项发现基于现代物理学中一项新兴技术——"转角电子学"（twistronics），该技术通过将材料层在特定角度扭曲形成莫尔条纹。这些构型显著改变了物质内电子的行为，从而产生常规晶体不具备的特性。

安德烈及其团队在2009年首次验证了这一基础理念，他们证明扭转石墨烯中的莫尔条纹能极大重塑其电子结构，该发现促进了转角电子学领域的萌芽。

电子是在材料中移动的微小粒子，负责导电。在具有周期性原子排列（完美有序网格）的常规晶体中，电子运动方式已被充分理解且可预测。因其固有的对称性特征，晶体在特定角度或距离旋转平移后结构保持不变。

然而研究人员发现，互晶体的电子特性会因其结构的微小变化而产生显著差异。这种可变性可诱发新的异常行为，例如超导性和磁性——这些通常在常规晶体中并不存在。超导材料因具备零电阻导电特性，有望实现持续流动的电流。

科学家表示，互晶体可能成为低损耗电子器件和原子传感器的新型电路组成部分，在量子计算机制造中发挥作用，并为新型消费技术提供动力。

这类材料还有望成为更环保电子技术的基础。

"由于这些结构可由碳、硼、氮等储量丰富的无毒元素构成，而非稀土元素，它们为未来技术提供了更可持续且可扩展的发展路径，"安德烈强调。

互晶体不仅区别于传统晶体，与准晶体也有所不同——后者是1982年发现的一种特殊晶体，虽具有序结构却无常规晶体的重复图案。

研究团队将其发现命名为"互晶体"，因其兼具晶体与准晶体特征：既具有准晶体的非重复图案，又共享常规晶体的对称性。

"上世纪80年代准晶体的发现挑战了关于原子有序度的旧规则，"安德烈指出，"而互晶体使我们更进一步，表明通过利用微观尺度的几何阻挫（geometric frustration），可以设计出进入物质新相态的材料。"

罗格斯大学研究人员对互晶体的未来应用持乐观态度，认为其为原子层面的材料特性探索和操控开辟了新可能。

"这仅仅是个开端，"皮克斯利表示，"我们期待看到这项发现将引领我们走向何方，以及它如何影响未来数年的科技发展。"

参与研究的其他罗格斯大学成员包括物理与天文系研究助理赖欣远（Xinyuan Lai）、李国宏（Guohong Li）和安吉拉·科（Angela Coe）。

日本国家材料科学研究所的科学家也为本研究作出了贡献。