Superlattices have attracted great interest because their use may make it possible to modify the spectra of two-dimensional electron systems and, ultimately, create materials with tailored electronic properties. In previous studies (see, for example, refs 1-8), it proved difficult to realize superlattices with short periodicities and weak disorder, and most of their observed features could be explained in terms of cyclotron orbits commensurate with the superlattice. Evidence for the formation of superlattice minibands (forming a fractal spectrum known as Hofstadter's butterfly) has been limited to the observation of new low-field oscillations and an internal structure within Landau levels. Here we report transport properties of graphene placed on a boron nitride substrate and accurately aligned along its crystallographic directions. The substrate's moiré potential acts as a superlattice and leads to profound changes in the graphene's electronic spectrum. Second-generation Dirac points appear as pronounced peaks in resistivity, accompanied by reversal of the Hall effect. The latter indicates that the effective sign of the charge carriers changes within graphene's conduction and valence bands. Strong magnetic fields lead to Zak-type cloning of the third generation of Dirac points, which are observed as numerous neutrality points in fields where a unit fraction of the flux quantum pierces the superlattice unit cell. Graphene superlattices such as this one provide a way of studying the rich physics expected in incommensurable quantum systems and illustrate the possibility of controllably modifying the electronic spectra of two-dimensional atomic crystals by varying their crystallographic alignment within van der Waals heterostuctures.

Encapsulated few-layer InSe exhibits a remarkably high electronic quality, which is promising for the development of ultrathin-body high-mobility nanoelectronics. A decade of intense research on two-dimensional (2D) atomic crystals has revealed that their properties can differ greatly from those of the parent compound1,2. These differences are governed by changes in the band structure due to quantum confinement and are most profound if the underlying lattice symmetry changes3,4. Here we report a high-quality 2D electron gas in few-layer InSe encapsulated in hexagonal boron nitride under an inert atmosphere. Carrier mobilities are found to exceed 103 cm2 V−1 s−1 and 104 cm2 V−1 s−1 at room and liquid-helium temperatures, respectively, allowing the observation of the fully developed quantum Hall effect. The conduction electrons occupy a single 2D subband and have a small effective mass. Photoluminescence spectroscopy reveals that the bandgap increases by more than 0.5 eV with decreasing the thickness from bulk to bilayer InSe. The band-edge optical response vanishes in monolayer InSe, which is attributed to the monolayer's mirror-plane symmetry. Encapsulated 2D InSe expands the family of graphene-like semiconductors and, in terms of quality, is competitive with atomically thin dichalcogenides5,6,7 and black phosphorus8,9,10,11.

When a crystal is subjected to a periodic potential, under certain circumstances it can adjust itself to follow the periodicity of the potential, resulting in a commensurate state. Of particular interest are topological defects between the two commensurate phases, such as solitons and domain walls. Here we report a commensurate–incommensurate transition for graphene on top of hexagonal boron nitride (hBN). Depending on the rotation angle between the lattices of the two crystals, graphene can either stretch to adapt to a slightly different hBN periodicity (for small angles, resulting in a commensurate state) or exhibit little adjustment (the incommensurate state). In the commensurate state, areas with matching lattice constants are separated by domain walls that accumulate the generated strain. Such soliton-like objects are not only of significant fundamental interest, but their presence could also explain recent experiments where electronic and optical properties of graphene-hBN heterostructures were observed to be considerably altered. A single layer of graphene on top of a hexagonal boron-nitride sheet can stretch to form a commensurate structure, or not — depending on the rotation angle between the two layers. In the case of commensurability, strain gets concentrated in domain walls, resulting in soliton-like structures.

Many layered materials can be cleaved down to individual atomic planes, similar to graphene, but only a small minority of them are stable under ambient conditions. The rest react and decompose in air, which has severely hindered their investigation and potential applications. Here we introduce a remedial approach based on cleavage, transfer, alignment, and encapsulation of air-sensitive crystals, all inside a controlled inert atmosphere. To illustrate the technology, we choose two archetypal two-dimensional crystals that are of intense scientific interest but are unstable in air: black phosphorus and niobium diselenide. Our field-effect devices made from their monolayers are conductive and fully stable under ambient conditions, which is in contrast to the counterparts processed in air. NbSe2 remains superconducting down to the monolayer thickness. Starting with a trilayer, phosphorene devices reach sufficiently high mobilities to exhibit Landau quantization. The approach offers a venue to significantly expand the range of experimentally accessible two-dimensional crystals and their heterostructures.

Abstract Excitons, pairs of electrons and holes, undergo a Bose-Einstein condensation at low temperatures. An important platform to study excitons is double-layer two-dimensional electron gases, with two parallel planes of electrons and holes separated by a thin insulating layer. Lowering this separation ( d ) strengthens the exciton binding energy, however, leads to the undesired interlayer tunneling, resulting in annihilation of excitons. Here, we report the observation of a sequences of robust exciton condensates (ECs) in double bilayer graphene twisted to ~ 10° with no insulating mid-layer. The large momentum mismatch between two graphene layers suppresses interlayer tunneling, reaching a d ~ 0.334 nm. Measuring the bulk and edge transport, we find incompressible states corresponding to ECs when both layers are in half-filled N = 0, 1 Landau levels (LLs). Theoretical calculations suggest that the low-energy charged excitation of ECs can be meron-antimeron or particle-hole pair, which relies on both LL index and carrier type. Our results establish a novel platform with extreme coupling strength for studying quantum bosonic phase.