2D材料中的凸起如何使量子研究顺利进行

当被迫离开舒适区时，原子会做一些奇怪的事情。莱斯大学的工程师们想出了一种新的方法来推动他们。莱斯大学乔治·R·布朗工程学院的材料理论家鲍里斯·雅科布森和他的团队提出了一个理论，即改变二维材料层的轮廓，从而改变其原子之间的关系，可能比以前想象的更简单。

当其他人扭曲石墨烯等二维双层(两层堆叠在一起)以改变其拓扑结构时，莱斯研究人员通过计算模型建议，在精心设计的起伏表面上生长或冲压单层二维材料将实现“前所未有的水平控制”它们的磁性和电子特性。

他们说，这一发现为探索多体效应、包括量子系统在内的多个微观粒子之间的相互作用开辟了道路。

Yakobson和他实验室的两位校友、共同主要作者SunnyGupta和HenryYu的论文发表在NatureCommunications上。

研究人员受到最近发现的启发，这些发现将二维材料双层(如双层石墨烯)扭曲或以其他方式变形为“魔角”会引发有趣的电子和磁性现象，包括超导性。

他们的模型表明，不是扭曲，而是简单地将六方氮化硼(hBN)等二维材料冲压或生长到凹凸不平的表面上，自然会拉紧材料的晶格，使其形成伪电场和伪磁场，并可能表现出丰富的物理效应类似于在扭曲材料中发现的那些。

赖斯研究人员的一项理论表明，顶部的二维材料(如六方氮化硼)可以放置在轮廓表面(中心)的顶部，从而被操纵以形成具有电子或磁性的一维带。学分：雅科布森研究小组

扁平的hBN是一种绝缘体，但研究人员发现，在他们的模型中对原子进行应变会产生能带结构，从而有效地使其成为半导体。

Gupta说，他们的策略的优势在于，通过表面凸块可以高度控制变形，因为可以使用电子束光刻对基板进行精确图案化。“这也将允许人们通过设计具有不同形貌的基板来可控地改变电子状态和量子效应，”他说。

因为电荷可以被操纵向一个方向流动，所以它所遵循的路径是一维系统的模型。Yakobson说，这可用于探索无法通过扭曲石墨烯访问的一维量子系统的特性。

“想象一条只有一条车道的道路，汽车只能朝一个方向行驶，”古普塔说。“一辆车无法超越前面的那辆车，所以只有当所有的汽车一起移动时，交通才会移动。

“在2D或当你有多个车道时，汽车或电子可以通过的地方不是这种情况，”他说。“就像汽车一样，一维系统中的电子将集体流动，而不是单独流动。这使得一维系统具有丰富的、未经探索的物理特性。”

Gupta说，用电子束形成凹凸不平的基板比目前将二维石墨烯或其他异质结构(如hBN)扭曲到小于单一精度要容易得多。

“此外，人们可以实现一维量子态，这通常无法通过扭曲二维双层来实现，”他说。“这将允许探索1D中的物理效应，这些效应直到现在仍然难以捉摸。”

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