摘要：莫尔超晶格是一种由两个或多个二维原子晶体在存在小角度扭转或晶格失配情况下叠加形成的周期性或准周期性势场结构，因其能显著调控材料的能带结构、电子关联行为等，被广泛应用于研究拓扑态、强关联电子系统及新型量子器件等前沿领域。
莫尔超晶格是一种由两个或多个二维原子晶体在存在小角度扭转或晶格失配情况下叠加形成的周期性或准周期性势场结构，因其能显著调控材料的能带结构、电子关联行为等，被广泛应用于研究拓扑态、强关联电子系统及新型量子器件等前沿领域。
与传统的二维材料相比，莫尔超晶格具有结构调控灵活、能带可展宽或展平等优点，能够在不改变材料本征性质的情况下，实现物理性质的精准调控。然而，传统的莫尔结构主要聚焦于双层体系，结构类型相对单一，缺乏对复杂周期与准周期结构下电子行为的系统探索，因此在拓展莫尔物理新范式方面面临巨大挑战。
成果简介
有鉴于此，新泽西州立大学Eva Y. Andrei课题组在Nature Materials期刊上发表了题为“Moiré periodic and quasiperiodic crystals in heterostructures of twisted bilayer graphene on hexagonal boron nitride”的最新论文。该团队制备了由魔角扭转双层石墨烯叠加在六方氮化硼（hBN）上的双莫尔结构，系统研究了其中形成的周期性与准周期性晶体结构，并首次构建了由石墨烯-石墨烯与石墨烯-hBN两种莫尔晶格常数定义的莫尔相图。
研究发现，尽管理论上1:1共格晶体只应出现在特定扭角组合下，但实验中却在更宽广的参数范围内普遍观察到该结构，揭示出一种意想不到的自对准机制。进一步通过低温扫描隧道显微镜/谱研究，团队还识别出具有十二重旋转对称性的准晶体（MQCs）和介于晶体与准晶体之间的中介晶体（MICs）等新颖结构。这些具有可调控准周期性的新型双莫尔晶体结构为研究自然界稀有的准周期晶体电子特性提供了全新的人工平台。
研究亮点
（1）实验首次在三层异质原子晶体（扭转双层石墨烯/六方氮化硼，GG/hBN）体系中，系统构建并观察了双莫尔势调控下的准周期结构，得到了由两种莫尔晶格叠加形成的周期性与非周期性晶体相图。
（2）实验通过低温扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱（STS）技术，对GG/hBN结构进行了精细成像与电子态测量，发现以下几个关键结果：
1. 构建出一个以石墨烯-石墨烯（GG）与石墨烯-hBN（GBN）两个莫尔晶格常数为坐标轴的“莫尔相图”，该相图中既包含共格的周期性晶体（1:1共格结构），也包含非共格的准周期晶体（包括准晶体和中介晶体）。2. 实验意外地观察到理论上仅在特定角度组合下才存在的1:1共格结构，在广泛的扭转角范围内均有出现，表明系统中存在一种自发的晶格对准机制。进一步分析表明，该自对准可能源于堆叠能的差异，即AA位点具有高能、CB位点能量最低，使得AAB堆叠方式能量最优。3. 对非周期结构的研究揭示了两种类型：一种是具有布拉伐格禁止对称性的莫尔准晶体（MQC），另一种是具有允许对称性但仍缺乏平移对称性的中介晶体（MIC）。4. 实验中观察到大面积AAB堆叠区域，并在STM图像中同时解析出GG和GBN两种莫尔晶格，进一步验证了准周期结构的稳定存在性及其可调性。图文解读
图1: 双层石墨烯和石墨烯生长在六方氮化硼上，GBN双莫尔图案和优选局部堆叠序成像。
图2:双重莫尔图案。
图3:晶格常数LGBN与LGG的莫尔相图。
图4:莫尔自对准机理。
图5:莫尔晶体、莫尔准晶，MIC和莫尔晶间, MQC的电子态绘制。
结论展望
本研究通过构建双莫尔势这一全新调控自由度，科学家首次在人工原子晶体系统中实现了周期性与准周期性结构的统一调控，并揭示了其电子波函数对称性与空间分布的深刻变化。
这不仅拓展了我们对准晶体与中介晶体等复杂非布拉伐结构的理解，也打破了传统上对共格点极度敏感的固有认知，提出了“自发对准”这一新的物理机制，显著提升了实验的可控性与可重复性。
更为关键的是，这类双莫尔结构为探索非常规磁性、离散尺度不变性和奇异超导等强关联电子现象提供了独特平台，预示着二维量子材料设计从简单的几何堆叠进入了“准周期调控”的新阶段。因此，本工作不仅推进了二维材料物理的边界，也为未来构筑具有新颖量子特性的人工晶体提供了理论基础和实践路径。
文献信息
Lai, X., Li, G., Coe, A.M. et al. Moiré periodic and quasiperiodic crystals in heterostructures of twisted bilayer graphene on hexagonal boron nitride. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02222-w
来源：MS杨站长
