曹原再獲重大突破：連發(fā)兩項成果，四層“魔角”扭曲石墨烯誕生！

石墨烯由單層碳原子組成，呈六邊形蜂窩狀連接，結(jié)構(gòu)簡單，看起來很精致。自從2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，石墨烯實際上非常堅固。雖然石墨烯不是一種金屬，但其超高的導電率，比大多數(shù)金屬都要好。2018年，以曹原（中國學者、麻省理工學院博士生（想必大家對曹原的大名已頗為熟悉，在此博科園就不復述了，我們重點看新研究成果））和巴勃羅·賈里洛-赫雷羅為首的麻省理工學院科學家發(fā)現(xiàn)：

當兩張石墨烯以略有偏移的“魔角”角度堆疊在一起時，這種新的“扭曲”雙層石墨烯結(jié)構(gòu)既可以成為絕緣體，完全阻止電流通過材料，也可以成為超導體，能夠讓電子毫無電阻地流過。這是一個不朽的發(fā)現(xiàn)，還同時幫助開啟了一個被稱為“扭曲電子學”的新領域，即研究扭曲雙層石墨烯和其他材料中的電子行為?，F(xiàn)在，麻省理工學院曹原等科學家，在《自然》期刊上連發(fā)兩項兩篇新研究論文，報告了他們在石墨烯雙向電子學方面的最新突破和進展。

曹原等第一項研究

曹原等麻省理工學院研究人員與魏茨曼科學研究所的合作者，首次對整個扭曲石墨烯結(jié)構(gòu)進行了成像和繪制，分辨率足夠精細，能夠看到整個結(jié)構(gòu)上局部扭曲角度的微小變化。結(jié)果顯示，在結(jié)構(gòu)內(nèi)，石墨烯層之間的“魔角”角度略偏離平均偏移1.1度的區(qū)域。研究小組在0.002度的超高角分辨率下探測到了這些變化，這相當于能夠從一英里外看到蘋果相對于地平線的角度。

研究發(fā)現(xiàn)，與扭曲角度范圍較大的結(jié)構(gòu)相比，角度變化范圍較窄的結(jié)構(gòu)，具有更明顯的奇異特性，如絕緣性和超導性。麻省理工學院塞西爾和艾達·格林物理學教授Jarillo-Herrero說：這是第一次繪制出整個設備的地圖，以了解設備中給定區(qū)域的扭曲角度。發(fā)現(xiàn)，可以有一點變化，但仍然可以表現(xiàn)出超導和其他奇異的物理特性，但不能太多，現(xiàn)在研究已經(jīng)表征了可以有多少扭曲變化，以及有太多的退化效應是什么。

曹原等第二項研究

曹原等研究人員創(chuàng)造了一種新的扭曲石墨烯結(jié)構(gòu)，其石墨烯不是兩層，而是四層。研究觀察到，與兩層前身相比，新的四層“魔角”結(jié)構(gòu)對某些電場和磁場更敏感。這表明，研究人員能夠更容易和更可控地研究“魔角”石墨烯在四層體系中的奇異性質(zhì)。中國學者、麻省理工學院博士生曹原說：這兩項研究的目的是為了更好地理解“魔角”雙電子設備令人費解的物理行為。

一旦得以了解，物理學家相信這些設備可以幫助設計和設計新一代高溫超導體，量子信息處理的拓撲設備，以及低能量技術。自從曹原和團隊首次發(fā)現(xiàn)“魔角”石墨烯以來，其科學家都欣然接受了觀察和測量其性質(zhì)的機會。有幾個研究小組使用掃描隧道顯微鏡(STM)對石墨烯“魔角”結(jié)構(gòu)進行了成像，掃描隧道顯微鏡是一種在原子水平上掃描表面的技術。

像保鮮膜上的皺紋

然而，使用這種方法，研究人員只能掃描最多幾百平方納米的“魔角”石墨烯小塊區(qū)域。曹原麻省理工合著巴勃羅·賈里洛-赫雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）說：用整個微米級的結(jié)構(gòu)，觀察數(shù)百萬個原子并不是掃描隧道顯微鏡最適合的，理論上這是可以做到的，但需要大量的時間。因此，麻省理工學院團隊咨詢了魏茨曼科學研究所的研究人員，他們開發(fā)了一種被稱為“掃描納米SQUID”的掃描技術，SQUID代表超導量子干涉裝置。

傳統(tǒng)超導量子干涉裝置類似于一個小的二等分環(huán)，環(huán)的兩半由超導材料制成，并通過兩個結(jié)點連接在一起。安裝在類似于掃描隧道顯微鏡(STM)的裝置尖端，SQUID可以在微觀尺度上測量流過環(huán)樣品的磁場，而魏茨曼研究所的研究人員縮小了SQUID的設計，以感應納米尺度的磁場。當“魔角”石墨烯被置于一個小磁場中時，由于所謂“朗道能級”的形成，它會在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生持續(xù)的電流。

例如，這些朗道能級和持續(xù)電流對局部扭角非常敏感，根據(jù)局部扭角的精確值，導致磁場具有不同的大小。通過這種方式，納米SQUID技術可以檢測到距離1.1度有微小偏移的區(qū)域。曹原麻省理工合著巴勃羅·賈里洛-赫雷羅表示：事實證明，這是一項令人驚嘆的技術，可以捕捉到距離1.1度不到0.002度的微小角度變化，這對于繪制“魔角”石墨烯是非常好的。研究小組使用這項技術繪制了兩種“魔角”結(jié)構(gòu)：一種是扭曲變化范圍較小的，另一種是范圍較大的。

研究把一片石墨烯放在另一片石墨烯上，類似于把保鮮膜放在保鮮膜上，此時你也會想到會有褶皺，兩層膜會有一點扭曲，有些沒有那么扭曲，就像研究人員在石墨烯中所看到的那樣。研究發(fā)現(xiàn)，與扭曲變化較多的結(jié)構(gòu)相比，扭曲變化范圍較窄的結(jié)構(gòu)具有更明顯的奇異物理特性，如超導電性。中國學者、麻省理工學院博士生曹原說：現(xiàn)在我們可以直接看到這些局部的扭曲變化，研究如何設計扭曲角度的變化來實現(xiàn)設備中的不同量子相位是很有趣的。

可調(diào)諧物理

在過去的兩年里，曹原等研究人員對石墨烯和其他材料的不同搭配進行了實驗，看看以特定的角度扭曲它們是否會帶來奇異的物理行為，如果擴大結(jié)構(gòu)，以抵消不是兩層，而是四層石墨烯，“魔角”石墨烯的迷人物理學是否會站得住腳。自從石墨烯在近15年前被發(fā)現(xiàn)以來，關于其性質(zhì)的大量信息已經(jīng)被披露，不僅是作為一張薄膜，而且還在多層中堆疊和排列（即一種類似于在石墨或鉛筆芯中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)）。

雙層石墨烯（彼此成0度角的兩層）是一個現(xiàn)在研究人員非常了解其性質(zhì)的系統(tǒng)，理論計算表明，在雙層頂部的雙層結(jié)構(gòu)中，有趣的物理發(fā)生角度范圍更大。因此，這種類型的結(jié)構(gòu)在制造器件方面可能更適合。部分受到這一理論可能性的啟發(fā)，研究人員制造了一種新的魔角結(jié)構(gòu)，將一個石墨烯雙層與另一個雙層偏移1.1度。然后，將這種新的“雙層”扭曲結(jié)構(gòu)連接到電池上，施加電壓，并測量當將該結(jié)構(gòu)置于各種條件下（如磁場和垂直電場）時流過的電流。

就像由兩層石墨烯制成的“魔角”結(jié)構(gòu)一樣，這種新的四層石墨烯結(jié)構(gòu)顯示出一種奇異的絕緣行為。但獨一無二的是，研究人員能夠通過電場上下調(diào)這種絕緣性，這是雙層魔角石墨烯不可能做到的。中國學者、麻省理工學院博士生曹原說：這個系統(tǒng)是高度可調(diào)諧的，這意味著我們有很大的“控制力”，這將能讓我們研究用單層“魔角”石墨烯無法理解的東西。現(xiàn)在還處于該領域的早期階段，就目前而言，物理界仍對其現(xiàn)象著迷。

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博科園｜研究/來自：麻省理工學院

研究發(fā)表期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2255-3

DOI: 10.1038/s41586-020-2260-6

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