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2023年7月19日，國際著名學術期刊《Nature》發表了南京航空航天大學國際前沿科學研究院、航空學院郭萬林院士團隊殷俊教授與英國曼徹斯特大學諾貝爾獎獲得者A. Geim團隊A. Mishchenko教授等人合作的研究論文 “Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite”，標志著南京航空航天大學在前沿科學研究方面取得新突破。南京航空航天大學是該論文的通訊作者單位，殷俊教授為共同通訊作者。
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這篇論文得到了審稿人的高度評價：“數據質量非常高，將扭曲電子學的原理擴展到了三維半金屬體系，開辟了令人興奮的前景” ，“結果非常有趣…科學卓越”。
通過引入界面莫爾紋在晶格周期上疊加長波長周期勢，石墨烯等二維材料的電子態可進行精細設計和調控。這一扭轉電子學策略使得人們發現了一系列新穎的物理效應，包括扭轉雙層石墨烯中的強關聯和超導性等。但由于電場屏蔽效應，扭轉電子學效應通常被認為只會發生在二維體系中。
該研究發現石墨（三維半金屬）的電子態可通過表面周期勢來調控。石墨/氮化硼界面莫爾超晶格周期勢不僅會導致石墨表面態豐富的Lifshitz轉變和Brown-Zak量子振蕩，還會導致石墨體態電子的分形量子霍爾效應 （fractal quantum Hall effect）。該工作將當前廣泛研究的二維扭轉電子學效應拓展至了三維材料體系。
石墨/氮化硼界面的莫爾超晶格及其表面態的Lifshitz轉變
該工作制備了基于氮化硼/石墨/氮化硼范德華異質結的電輸運器件，其中石墨厚度為數十層，呈現體態石墨的輸運特性。表面靜電摻雜會在石墨表面引入表面態。通過電輸運測試發現，石墨/氮化硼界面的莫爾周期勢會顯著調控其表面態，使得表面態隨著靜電摻雜濃度的改變出現豐富的Lifshitz轉變。
石墨/氮化硼界面表面態的Brown-Zak振蕩
磁場、高溫（60 K，抑制Landau量子化）條件下，受界面莫爾周期勢調制的表面態出現了顯著Brown-Zak量子振蕩。Lifshitz轉變和Brown-Zak量子振蕩不會出現在未對齊的石墨/氮化硼界面處的表面態，即使另外一面石墨/氮化硼界面是對齊的。這是由于石墨的靜電屏蔽深度僅2-3原子層，使得上下兩個表面態相互獨立。
石墨中的分形量子霍爾效應
令人驚訝的是，器件在低溫（30-300 mK）條件下呈現出清晰的霍夫斯塔特蝴蝶（Hofstadter’s butterfly）及分形量子霍爾效應。這一效應不僅發生在表面態中，更是在體態電子中可以觀測到。其貫穿了整個石墨厚度，同時依賴于頂柵和底柵電極的調制。
該研究展示了通過表界面調控三維體系電子輸運行為的可行性，為調控塊體材料的電子態提供了全新途徑。
該研究工作獲得國家自然科學基金委原創探索計劃項目（12150002）等項目的支持。
高水平研究成果離不開長期積累與堅持
殷俊教授自2009年攻讀研究生起即在郭萬林院士的指導下開始從事二維材料相關研究，至此在該領域已深耕了14個年頭。他在博士期間就取得了高水平的研究成果，并于2014年發表了我校首篇《Nature Nanotechnology》。博士畢業后赴英國曼徹斯特大學開展博士后研究工作，期間，他克服學科壁壘，從零開始學習，突破在微納器件及電輸運研究方面的經驗不足和限制，掌握了相關知識和技術，取得的成果以封面文章發表在《Nature Physics》。在該領域的長期堅守和積累為這項工作的開展奠定了堅實基礎。
郭萬林院士（右）、殷俊教授（左）、諾貝爾獎獲得者A. Geim教授在英國曼徹斯特大學進行學術交流
本研究成果的取得亦得益于大量的實驗積累和細心的觀察。微納器件加工涉及到復雜的工藝流程，單個器件的加工周期就長達一周以上，其間稍有不慎便會導致器件質量顯著降低、乃至失敗。即便如此，團隊仍克服重重困難成功制備了數十個高質量器件，并發現其中某些器件呈現了不同于其他器件的輸運行為。通過仔細分析發現這些不同尋常的行為來源于器件中石墨和氮化硼的晶格對齊，這成功促成了本研究成果的發現。
為了完善實驗數據，殷俊帶領團隊成員赴法國里昂歐洲強磁場實驗室開展相關研究。他們連續一周通宵奮戰，在極其有限的時間內得到了非常高質量的實驗數據，圓滿完成了預期實驗計劃。
殷俊于南京航空航天大學指導研究生