石墨烯由單層碳原子以六邊形蜂窩圖案連接而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，看似精致。自 2004 年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)石墨烯實(shí)際上異常堅(jiān)固。雖然石墨烯不是金屬，但它以超高速導(dǎo)電，比大多數(shù)金屬都要好。

2018 年，由 Pablo Jarillo-Herrero 和 Yuan Cao 領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)院科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩片石墨烯以略微偏移的“魔法”角度堆疊在一起時(shí)，新的“扭曲”石墨烯結(jié)構(gòu)可以成為絕緣體，完全阻止電流從流過(guò)這種材料，或者矛盾的是，一種超導(dǎo)體，能夠讓電子在沒(méi)有阻力的情況下飛過(guò)。這是一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，它幫助啟動(dòng)了一個(gè)被稱為“扭曲電子學(xué)”的新領(lǐng)域，研究扭曲的石墨烯和其他材料的電子行為。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在本周發(fā)表在《自然》雜志上的兩篇論文中報(bào)告了他們?cè)谑┡で娮訉W(xué)方面的最新進(jìn)展。

在第一項(xiàng)研究中，研究人員與魏茨曼科學(xué)研究所的合作者首次對(duì)整個(gè)扭曲的石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像和繪制，分辨率足夠精細(xì)，以至于他們能夠看到局部扭曲角的微小變化貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)。

結(jié)果揭示了結(jié)構(gòu)內(nèi)石墨烯層之間的角度略微偏離平均偏移 1.1 度的區(qū)域。

該團(tuán)隊(duì)以 0.002 度的超高角分辨率檢測(cè)到這些變化。這相當(dāng)于能夠從一英里外看到蘋果與地平線的角度。

他們發(fā)現(xiàn)，與扭曲角范圍更廣的結(jié)構(gòu)相比，角度變化范圍更窄的結(jié)構(gòu)具有更明顯的奇異特性，例如絕緣和超導(dǎo)性。

“這是第一次繪制整個(gè)設(shè)備以查看設(shè)備中給定區(qū)域的扭曲角是多少，”麻省理工學(xué)院 Cecil 和 Ida Green 物理學(xué)教授 Jarillo-Herrero 說(shuō)。“而且我們看到你可以有一點(diǎn)點(diǎn)變化并且仍然表現(xiàn)出超導(dǎo)性和其他奇異的物理學(xué)，但不能太多。我們現(xiàn)在已經(jīng)描述了你可以有多少扭曲變化，以及什么是退化效應(yīng)擁有太多了。”

在第二項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告創(chuàng)建了一種新的扭曲石墨烯結(jié)構(gòu)，它不是兩層而是四層石墨烯。他們觀察到，與兩層前身相比，新的四層魔角結(jié)構(gòu)對(duì)某些電場(chǎng)和磁場(chǎng)更敏感。這表明研究人員可能能夠更輕松、可控地研究四層系統(tǒng)中魔角石墨烯的奇異特性。

“這兩項(xiàng)研究旨在更好地了解魔角扭曲電子設(shè)備令人費(fèi)解的物理行為，”麻省理工學(xué)院研究生曹說(shuō)。“一旦理解，物理學(xué)家相信這些設(shè)備可以幫助設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)新一代高溫超導(dǎo)體、用于量子信息處理的拓?fù)湓O(shè)備和低能耗技術(shù)。”

就像保鮮膜上的皺紋

自從 Jarillo-Herrero 和他的團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)魔角石墨烯以來(lái)，其他人已經(jīng)抓住機(jī)會(huì)觀察和測(cè)量其特性。幾個(gè)小組使用掃描隧道顯微鏡或 STM(一種在原子水平掃描表面的技術(shù))對(duì)魔角結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。然而，研究人員只能使用這種方法掃描小塊魔角石墨烯，最多跨越幾百平方納米。

Jarillo-Herrero 說(shuō)：“遍歷整個(gè)微米級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)觀察數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子并不是 STM 最適合的事情。” “原則上可以做到，但需要大量時(shí)間。”

因此，該小組咨詢了魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員，他們開發(fā)了一種他們稱之為“掃描納米 SQUID”的掃描技術(shù)，其中 SQUID 代表超導(dǎo)量子干涉裝置。傳統(tǒng)的 SQUID 類似于一個(gè)小的二等分環(huán)，其兩半由超導(dǎo)材料制成，并通過(guò)兩個(gè)結(jié)連接在一起。SQUID 安裝在類似于 STM 的設(shè)備的尖端周圍，可以在微觀尺度上測(cè)量流過(guò)環(huán)的樣品磁場(chǎng)。魏茨曼研究所的研究人員縮小了 SQUID 設(shè)計(jì)的規(guī)模，以感知納米級(jí)的磁場(chǎng)。

當(dāng)魔角石墨烯被放置在一個(gè)小磁場(chǎng)中時(shí)，由于形成了所謂的“朗道能級(jí)”，它會(huì)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生持續(xù)的電流。這些朗道能級(jí)以及持續(xù)的電流對(duì)局部扭曲角非常敏感，例如，根據(jù)局部扭曲角的精確值，會(huì)產(chǎn)生不同大小的磁場(chǎng)。通過(guò)這種方式，納米 SQUID 技術(shù)可以檢測(cè)到 1.1 度的微小偏移區(qū)域。

“事實(shí)證明，這是一項(xiàng)了不起的技術(shù)，可以從 1.1 度中提取 0.002 度的微小角度變化，”Jarillo-Herrero 說(shuō)。“這對(duì)于映射魔角石墨烯非常有用。”

該小組使用該技術(shù)繪制了兩種魔角結(jié)構(gòu)：一種具有窄范圍的扭曲變化，另一種具有更廣泛的范圍。

“我們將一張石墨烯放在另一張上面，類似于將保鮮膜放在保鮮膜上，”Jarillo-Herrero 說(shuō)。“你會(huì)期望會(huì)有皺紋，并且兩塊薄片會(huì)有點(diǎn)扭曲，有些不那么扭曲，就像我們?cè)谑┲锌吹降哪菢印?rdquo;

他們發(fā)現(xiàn)，與具有更多扭曲變化的結(jié)構(gòu)相比，具有更窄扭曲變化范圍的結(jié)構(gòu)具有更明顯的奇異物理特性，例如超導(dǎo)性。

“現(xiàn)在我們可以直接看到這些局部扭曲變化，研究如何設(shè)計(jì)扭曲角的變化以在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)不同的量子相位可能會(huì)很有趣，”曹說(shuō)。

可調(diào)物理

在過(guò)去的兩年里，研究人員對(duì)石墨烯和其他材料的不同配置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以觀察將它們以特定角度扭曲是否會(huì)帶來(lái)奇異的物理行為。Jarillo-Herrero 的小組想知道，如果他們擴(kuò)大結(jié)構(gòu)，抵消兩個(gè)而是四個(gè)石墨烯層，魔角石墨烯的迷人物理學(xué)是否會(huì)站得住腳。

自從近 15 年前石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)揭示了大量有關(guān)其特性的信息，不僅是單片，而且還堆疊并排列成多層——這種配置類似于您在石墨或鉛筆中發(fā)現(xiàn)的配置帶領(lǐng)。

“雙層石墨烯——彼此成 0 度角的兩層——是一個(gè)我們非常了解其特性的系統(tǒng)，”Jarillo-Herrero 說(shuō)。“理論計(jì)算表明，在雙層結(jié)構(gòu)中，有趣的物理發(fā)生的角度范圍更大。因此，這種類型的結(jié)構(gòu)在制造設(shè)備方面可能更寬容。”

部分受到這種理論可能性的啟發(fā)，研究人員制造了一種新的魔角結(jié)構(gòu)，將一個(gè)石墨烯雙層與另一個(gè)雙層偏移 1.1 度。然后，他們將新的“雙層”扭曲結(jié)構(gòu)連接到電池上，施加電壓，并測(cè)量流經(jīng)設(shè)備的電流，因?yàn)樗麄儗⒔Y(jié)構(gòu)放置在各種條件下，例如磁場(chǎng)和垂直電場(chǎng)。

就像由兩層石墨烯制成的魔角結(jié)構(gòu)一樣，新的四層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出奇特的絕緣行為。但獨(dú)特的是，研究人員能夠通過(guò)電場(chǎng)上下調(diào)整這種絕緣特性——這是兩層魔角石墨烯無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

“這個(gè)系統(tǒng)是高度可調(diào)的，這意味著我們有很多控制權(quán)，這將使我們能夠研究我們用單層魔角石墨烯無(wú)法理解的東西，”曹說(shuō)。

“該領(lǐng)域還處于起步階段，”Jarillo-Herrero 說(shuō)。“目前，物理學(xué)界仍然對(duì)它的現(xiàn)象著迷。人們幻想著我們可以制造什么類型的設(shè)備，但意識(shí)到現(xiàn)在還為時(shí)過(guò)早，我們還有很多東西需要了解這些系統(tǒng)。”

　　免責(zé)聲明：本文由用戶上傳，與本網(wǎng)站立場(chǎng)無(wú)關(guān)。財(cái)經(jīng)信息僅供讀者參考，并不構(gòu)成投資建議。投資者據(jù)此操作，風(fēng)險(xiǎn)自擔(dān)。 如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除！