研究人员绘制了魔角石墨烯中的微小扭曲

石墨烯由单层碳原子以六边形蜂窝图案连接而成，结构简单，看似精致。自 2004 年发现以来，科学家们发现石墨烯实际上异常坚固。虽然石墨烯不是金属，但它以超高速导电，比大多数金属都要好。

2018 年，由 Pablo Jarillo-Herrero 和 Yuan Cao 领导的麻省理工学院科学家发现，当两片石墨烯以略微偏移的“魔法”角度堆叠在一起时，新的“扭曲”石墨烯结构可以成为绝缘体，完全阻止电流从流过这种材料，或者矛盾的是，一种超导体，能够让电子在没有阻力的情况下飞过。这是一个具有里程碑意义的发现，它帮助启动了一个被称为“扭曲电子学”的新领域，研究扭曲的石墨烯和其他材料的电子行为。

现在，麻省理工学院团队在本周发表在《自然》杂志上的两篇论文中报告了他们在石墨烯扭曲电子学方面的最新进展。

在第一项研究中，研究人员与魏茨曼科学研究所的合作者首次对整个扭曲的石墨烯结构进行了成像和绘制，分辨率足够精细，以至于他们能够看到局部扭曲角的微小变化贯穿整个结构。

结果揭示了结构内石墨烯层之间的角度略微偏离平均偏移 1.1 度的区域。

该团队以 0.002 度的超高角分辨率检测到这些变化。这相当于能够从一英里外看到苹果与地平线的角度。

他们发现，与扭曲角范围更广的结构相比，角度变化范围更窄的结构具有更明显的奇异特性，例如绝缘和超导性。

“这是第一次绘制整个设备以查看设备中给定区域的扭曲角是多少，”麻省理工学院 Cecil 和 Ida Green 物理学教授 Jarillo-Herrero 说。“而且我们看到你可以有一点点变化并且仍然表现出超导性和其他奇异的物理学，但不能太多。我们现在已经描述了你可以有多少扭曲变化，以及什么是退化效应拥有太多了。”

在第二项研究中，该团队报告创建了一种新的扭曲石墨烯结构，它不是两层而是四层石墨烯。他们观察到，与两层前身相比，新的四层魔角结构对某些电场和磁场更敏感。这表明研究人员可能能够更轻松、可控地研究四层系统中魔角石墨烯的奇异特性。

“这两项研究旨在更好地了解魔角扭曲电子设备令人费解的物理行为，”麻省理工学院研究生曹说。“一旦理解，物理学家相信这些设备可以帮助设计和设计新一代高温超导体、用于量子信息处理的拓扑设备和低能耗技术。”

就像保鲜膜上的皱纹

自从 Jarillo-Herrero 和他的团队首次发现魔角石墨烯以来，其他人已经抓住机会观察和测量其特性。几个小组使用扫描隧道显微镜或 STM(一种在原子水平扫描表面的技术)对魔角结构进行了成像。然而，研究人员只能使用这种方法扫描小块魔角石墨烯，最多跨越几百平方纳米。

Jarillo-Herrero 说：“遍历整个微米级结构来观察数百万个原子并不是 STM 最适合的事情。” “原则上可以做到，但需要大量时间。”

因此，该小组咨询了魏茨曼科学研究所的研究人员，他们开发了一种他们称之为“扫描纳米 SQUID”的扫描技术，其中 SQUID 代表超导量子干涉装置。传统的 SQUID 类似于一个小的二等分环，其两半由超导材料制成，并通过两个结连接在一起。SQUID 安装在类似于 STM 的设备的尖端周围，可以在微观尺度上测量流过环的样品磁场。魏茨曼研究所的研究人员缩小了 SQUID 设计的规模，以感知纳米级的磁场。

当魔角石墨烯被放置在一个小磁场中时，由于形成了所谓的“朗道能级”，它会在整个结构中产生持续的电流。这些朗道能级以及持续的电流对局部扭曲角非常敏感，例如，根据局部扭曲角的精确值，会产生不同大小的磁场。通过这种方式，纳米 SQUID 技术可以检测到 1.1 度的微小偏移区域。

“事实证明，这是一项了不起的技术，可以从 1.1 度中提取 0.002 度的微小角度变化，”Jarillo-Herrero 说。“这对于映射魔角石墨烯非常有用。”

该小组使用该技术绘制了两种魔角结构：一种具有窄范围的扭曲变化，另一种具有更广泛的范围。

“我们将一张石墨烯放在另一张上面，类似于将保鲜膜放在保鲜膜上，”Jarillo-Herrero 说。“你会期望会有皱纹，并且两块薄片会有点扭曲，有些不那么扭曲，就像我们在石墨烯中看到的那样。”

他们发现，与具有更多扭曲变化的结构相比，具有更窄扭曲变化范围的结构具有更明显的奇异物理特性，例如超导性。

“现在我们可以直接看到这些局部扭曲变化，研究如何设计扭曲角的变化以在设备中实现不同的量子相位可能会很有趣，”曹说。

可调物理

在过去的两年里，研究人员对石墨烯和其他材料的不同配置进行了实验，以观察将它们以特定角度扭曲是否会带来奇异的物理行为。Jarillo-Herrero 的小组想知道，如果他们扩大结构，抵消两个而是四个石墨烯层，魔角石墨烯的迷人物理学是否会站得住脚。

自从近 15 年前石墨烯被发现以来，已经揭示了大量有关其特性的信息，不仅是单片，而且还堆叠并排列成多层——这种配置类似于您在石墨或铅笔中发现的配置带领。

“双层石墨烯——彼此成 0 度角的两层——是一个我们非常了解其特性的系统，”Jarillo-Herrero 说。“理论计算表明，在双层结构中，有趣的物理发生的角度范围更大。因此，这种类型的结构在制造设备方面可能更宽容。”

部分受到这种理论可能性的启发，研究人员制造了一种新的魔角结构，将一个石墨烯双层与另一个双层偏移 1.1 度。然后，他们将新的“双层”扭曲结构连接到电池上，施加电压，并测量流经设备的电流，因为他们将结构放置在各种条件下，例如磁场和垂直电场。

就像由两层石墨烯制成的魔角结构一样，新的四层结构表现出奇特的绝缘行为。但独特的是，研究人员能够通过电场上下调整这种绝缘特性——这是两层魔角石墨烯无法实现的。

“这个系统是高度可调的，这意味着我们有很多控制权，这将使我们能够研究我们用单层魔角石墨烯无法理解的东西，”曹说。

“该领域还处于起步阶段，”Jarillo-Herrero 说。“目前，物理学界仍然对它的现象着迷。人们幻想着我们可以制造什么类型的设备，但意识到现在还为时过早，我们还有很多东西需要了解这些系统。”

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