發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯扭轉(zhuǎn)角小于0.5度時，光響應(yīng)消失，表現(xiàn)出優(yōu)異性能

一種由兩層單原子厚度的碳層組成材料，因其耐人尋味的導(dǎo)電特性而吸引了世界各地物理學(xué)家的注意。德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校自然科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)院物理學(xué)助理教授張帆（音譯）博士和物理學(xué)博士生王啟月（音譯）在與耶魯大學(xué)自然光子學(xué)的夏鳳年（音譯）博士團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)研究，描述了扭曲雙層石墨烯在中紅外線下傳導(dǎo)電流變化的能力。

石墨烯是一層以扁平蜂窩圖案排列的碳原子，其中每個六邊形由其頂點(diǎn)的六個碳原子組成。自2004年首次分離石墨烯以來，科學(xué)家們一直在深入研究石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)，以期在先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、材料和設(shè)備中發(fā)揮潛在的作用。如果兩張石墨烯堆疊在一起，其中一層被旋轉(zhuǎn)，使得兩層稍微不對準(zhǔn)，那么產(chǎn)生的物理配置被稱為扭曲的雙層石墨烯，產(chǎn)生的電子性質(zhì)與單獨(dú)的單層或兩個對準(zhǔn)的層表現(xiàn)出的電子性質(zhì)有很大不同。

人們對石墨烯的興趣已經(jīng)有大約15年了，研究單層很有趣，但如果有兩層，它們的相互作用應(yīng)該會呈現(xiàn)出更豐富、更有趣的物理。這就是為什么科學(xué)家們想要研究雙層石墨烯系統(tǒng)的原因。當(dāng)石墨烯層錯位時，網(wǎng)格中會出現(xiàn)一種新的周期性設(shè)計(jì)，稱為云紋圖案。莫爾圖案也是一個六邊形，但它可以由10000多個碳原子組成。兩層石墨烯錯位的角度（扭轉(zhuǎn)角度）對材料的電子性質(zhì)至關(guān)重要，扭曲角越小，莫爾周期越大。

一個新的領(lǐng)域出現(xiàn)

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校物理學(xué)教授艾倫·麥克唐納(Allan MacDonald)博士和拉菲·比斯特里策(Rafi Bistritzer)博士早在2011年就首次提出了特定扭曲角度對電子行為的不同尋常影響。當(dāng)時，其科學(xué)家沒怎么注意到這個理論，但現(xiàn)在它已經(jīng)成為物理學(xué)中最熱門的話題。在2011年的那項(xiàng)研究中，麥克唐納和比斯特里策預(yù)測，電子的動能可以在錯位1.1度所謂“魔角”的石墨烯雙層中消失。

2018年麻省理工學(xué)院科學(xué)家證明了這一理論，麻省理工的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，將兩個石墨烯層偏移1.1度產(chǎn)生了一種二維超導(dǎo)體，這種材料導(dǎo)電電流，沒有電阻，也沒有能量損失。在2019年發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的一項(xiàng)研究中，張和王與俄亥俄州立大學(xué)的珍妮·劉博士團(tuán)隊(duì)一起展示了，當(dāng)偏移0.93度時，扭曲的雙層石墨烯既表現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)，也表現(xiàn)出絕緣態(tài)：

從而顯著擴(kuò)大了魔術(shù)角度，在研究中既看到了絕緣態(tài)，也看到了超導(dǎo)態(tài)。這就是扭曲雙層石墨烯研究成為如此熱門領(lǐng)域的原因，可以操縱純碳來實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，這一事實(shí)令人驚訝，也是史無前例的。在最新發(fā)表在《自然光子學(xué)》期刊上的研究中，張和在耶魯大學(xué)的合作者研究了扭曲雙層石墨烯是否以及如何與中紅外光相互作用（人類看不到中紅外光，但可以探測到它是熱）。

新的研究發(fā)現(xiàn)

光和物質(zhì)之間的相互作用在許多設(shè)備中都很有用，例如將陽光轉(zhuǎn)化為電能，幾乎每個物體都會發(fā)出紅外線，包括人在內(nèi)，這種光可以用設(shè)備探測到。研究著手確定中紅外光可能如何影響扭曲雙層石墨烯中電子的電導(dǎo)，包括根據(jù)莫爾圖案的能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算光吸收，這一概念決定了電子在材料中的量子力學(xué)運(yùn)動方式。有標(biāo)準(zhǔn)的方法來計(jì)算規(guī)則晶體的能帶結(jié)構(gòu)和光吸收，但這是人造晶體，所以研究人員不得不想出一種新的方法。

利用德克薩斯先進(jìn)計(jì)算中心的資源，這是德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的超級計(jì)算機(jī)設(shè)施，進(jìn)行計(jì)算了能帶結(jié)構(gòu)，并展示了這種材料是如何吸收光線的。耶魯大學(xué)的研究小組制造了設(shè)備，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，顯示中紅外光響應(yīng)（由于光線照射而增加的電導(dǎo)率）異常強(qiáng)烈，在1.8度的扭轉(zhuǎn)角時最大，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角小于0.5度時，強(qiáng)烈的光響應(yīng)消失。理論結(jié)果不僅與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地匹配，而且還指出了一種從根本上與莫爾圖案周期有關(guān)的機(jī)制。

而且莫爾圖案本身又與兩個石墨烯層之間的扭角有關(guān)。扭曲角在決定扭曲雙層石墨烯的性質(zhì)時顯然非常重要。但問題來了：能否將其應(yīng)用于調(diào)整其他二維材料，以獲得前所未有的功能？此外，能否將扭曲雙層石墨烯的光響應(yīng)和超導(dǎo)電性結(jié)合起來？例如，光線能否誘導(dǎo)或以某種方式調(diào)制超導(dǎo)電性？這將是非常有趣的研究。固態(tài)電子和電磁學(xué)項(xiàng)目經(jīng)理喬·邱博士表示：這一新的突破可能會使基于石墨烯的新型高靈敏度紅外探測器成為可能。

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博科園｜研究/來自：德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校

參考期刊《自然光子學(xué)》

DOI: 10.1038/s41566-020-0644-7

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