科学家发现一类可能带来革命性突破的晶体特性

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。

正如发表在科学期刊《自然·材料》上的报告所述，科学家们将两层超薄石墨烯堆叠起来——每层都是由碳原子排列成六边形网格构成的单原子层。他们将这两层石墨烯轻微扭转后置于一层六方氮化硼（硼和氮组成的六边形晶体）之上。他们发现，层间微小的错位形成了莫尔条纹（类似于两层细网格叠加时出现的图案），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，”罗格斯大学文理学院物理与天文系理事会特聘教授、该研究的主要作者埃娃·安德烈（Eva Andrei）说。“互晶体赋予我们一种新手段，仅通过几何构造就能控制电子行为，而无需改变材料的化学成分。”

研究人员表示，通过理解和控制互晶体中电子的独特性质，科学家可以利用它们开发更高效的晶体管和传感器等新技术，而此前这些技术需要更复杂的材料混合物和加工工艺。

“你可以设想设计一个完整的电子电路，其中每个功能——开关、传感、信号传输——都通过原子尺度的几何调控来实现，”该研究的合著者、物理学副教授杰迪代亚·皮克斯利（Jedediah Pixley）说。“互晶体可能是这类未来技术的构建模块。”

这项发现的核心是现代物理学中一种新兴的技术——“扭电子学（twistronics）”，即通过将材料层按特定角度扭曲来产生莫尔条纹。这些构型显著改变了物质内电子的行为，从而产生普通晶体所不具备的特性。

这一基础理念最早由安德烈及其团队在2009年演示，当时他们展示了扭曲石墨烯中的莫尔条纹能极大地重塑其电子结构。该发现推动了扭电子学领域的发展。

电子是在材料中移动的微小粒子，负责导电。在具有原子规则排列网格的普通晶体中，电子的运动方式已被充分理解并可预测。如果一个晶体按特定角度或距离旋转或移动，由于其固有的对称性特征，它看起来与原来相同。

然而，研究人员发现互晶体的电子性质会因其结构的微小变化而产生显著差异。这种可变性可能导致新的异常行为，例如超导性和磁性，而这些通常在普通晶体中并不存在。超导材料由于能以零电阻导电，为实现持续流动的电流带来了希望。

科学家们表示，互晶体有望成为新型电路的一部分，用于制造低损耗电子器件和原子传感器，这些可能应用于量子计算机的制造，并为新型消费技术提供动力。

这些材料还有望成为更环保电子技术的基础。

“因为这些结构可以用碳、硼和氮等丰富的无毒元素制成，而非稀土元素，它们也为未来技术提供了一条更具可持续性和可扩展性的路径，”安德烈说。

互晶体不仅区别于传统晶体。它们也不同于1982年发现的准晶体（quasicrystals）——这种特殊晶体具有有序结构，但缺乏普通晶体的重复图案。

研究团队成员将其发现命名为“互晶体”（intercrystals），因为它们是晶体和准晶体的混合体：它们具有类似准晶体的非重复图案，但又与普通晶体共享对称性。

“20世纪80年代准晶体的发现挑战了关于原子有序性的旧规则，”安德烈说。“通过互晶体，我们更进一步，展示了可以利用最小尺度的几何挫败（geometric frustration）来设计材料，从而获得物质的新相态。”

罗格斯大学的研究人员对互晶体的未来应用持乐观态度，这为在原子水平上探索和操控材料特性开辟了新的可能性。

“这只是开始，”皮克斯利说。“我们很兴奋，期待看到这一发现将引领我们走向何方，以及它将在未来几年对科技产生何种影响。”

参与该研究的其他罗格斯大学研究人员包括物理与天文系的研究助理赖新元（Xinyuan Lai）、李国红（Guohong Li）和安吉拉·科（Angela Coe）。

来自日本国立材料科学研究所的科学家也为这项研究做出了贡献。