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  • 曹原再获重大突破:连发两项成果,四层“魔角”扭曲石墨烯诞生

    石墨烯由单层碳原子组成,呈六边形蜂窝状连接,结构简单,看起来很精致。自从2004年发现石墨烯以来,科学家们已经发现,石墨烯实际上非常坚固。虽然石墨烯不是一种金属,但其超高的导电率,比大多数金属都要好。2018年,以曹原(中国学者、麻省理工学院博士生(想必大家对曹原的大名已颇为熟悉,在此博科园就不复述了,我们重点看新研究成果))和巴勃罗·贾里洛-赫雷罗为首的麻省理工学院科学家发现:

    曹原再获重大突破:连发两项成果,四层“魔角”扭曲石墨烯诞生

    两张石墨烯以略有偏移的“魔角”角度堆叠在一起时,这种新的“扭曲”双层石墨烯结构既可以成为绝缘体,完全阻止电流通过材料,也可以成为超导体,能够让电子毫无电阻地流过。这是一个不朽的发现,还同时帮助开启了一个被称为“扭曲电子学”的新领域,即研究扭曲双层石墨烯和其他材料中的电子行为。现在,麻省理工学院曹原等科学家,在《自然》期刊上连发两项两篇新研究论文,报告了他们在石墨烯双向电子学方面的最新突破和进展。

    曹原等第一项研究

    曹原等麻省理工学院研究人员与魏茨曼科学研究所的合作者,首次对整个扭曲石墨烯结构进行了成像和绘制,分辨率足够精细,能够看到整个结构上局部扭曲角度的微小变化。结果显示,在结构内,石墨烯层之间的“魔角”角度略偏离平均偏移1.1度的区域。研究小组在0.002度的超高角分辨率下探测到了这些变化,这相当于能够从一英里外看到苹果相对于地平线的角度。

    曹原再获重大突破:连发两项成果,四层“魔角”扭曲石墨烯诞生

    研究发现,与扭曲角度范围较大的结构相比,角度变化范围较窄的结构,具有更明显的奇异特性,如绝缘性和超导性。麻省理工学院塞西尔和艾达·格林物理学教授Jarillo-Herrero说:这是第一次绘制出整个设备的地图,以了解设备中给定区域的扭曲角度。发现,可以有一点变化,但仍然可以表现出超导和其他奇异的物理特性,但不能太多,现在研究已经表征了可以有多少扭曲变化,以及有太多的退化效应是什么。

    曹原等第二项研究

    曹原等研究人员创造了一种新的扭曲石墨烯结构,其石墨烯不是两层而是四层。研究观察到,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,研究人员能够更容易和更可控地研究“魔角”石墨烯在四层体系中的奇异性质。中国学者、麻省理工学院博士生曹原说:这两项研究的目的是为了更好地理解“魔角”双电子设备令人费解的物理行为。

    曹原再获重大突破:连发两项成果,四层“魔角”扭曲石墨烯诞生

    一旦得以了解,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,量子信息处理的拓扑设备,以及低能量技术。自从曹原和团队首次发现“魔角”石墨烯以来,其科学家都欣然接受了观察和测量其性质的机会。有几个研究小组使用扫描隧道显微镜(STM)对石墨烯“魔角”结构进行了成像,扫描隧道显微镜是一种在原子水平上扫描表面的技术。

    像保鲜膜上的皱纹

    然而,使用这种方法,研究人员只能扫描最多几百平方纳米的“魔角”石墨烯小块区域。曹原麻省理工合著巴勃罗·贾里洛-赫雷罗(Pablo Jarillo-Herrero)说:用整个微米级的结构,观察数百万个原子并不是扫描隧道显微镜最适合的,理论上这是可以做到的,但需要大量的时间。因此,麻省理工学院团队咨询了魏茨曼科学研究所的研究人员,他们开发了一种被称为“扫描纳米SQUID”的扫描技术,SQUID代表超导量子干涉装置。

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    传统超导量子干涉装置类似于一个小的二等分环,环的两半由超导材料制成,并通过两个结点连接在一起。安装在类似于扫描隧道显微镜(STM)的装置尖端,SQUID可以在微观尺度上测量流过环样品的磁场,而魏茨曼研究所的研究人员缩小了SQUID的设计,以感应纳米尺度的磁场。当“魔角”石墨烯被置于一个小磁场中时,由于所谓“朗道能级”的形成,它会在结构上产生持续的电流。

    曹原再获重大突破:连发两项成果,四层“魔角”扭曲石墨烯诞生

    例如,这些朗道能级持续电流对局部扭角非常敏感,根据局部扭角的精确值,导致磁场具有不同的大小。通过这种方式,纳米SQUID技术可以检测到距离1.1度有微小偏移的区域。曹原麻省理工合著巴勃罗·贾里洛-赫雷罗表示:事实证明,这是一项令人惊叹的技术,可以捕捉到距离1.1度不到0.002度的微小角度变化,这对于绘制“魔角”石墨烯是非常好的。研究小组使用这项技术绘制了两种“魔角”结构:一种是扭曲变化范围较小的,另一种是范围较大的。

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    研究把一片石墨烯放在另一片石墨烯上,类似于把保鲜膜放在保鲜膜上,此时你也会想到会有褶皱,两层膜会有一点扭曲,有些没有那么扭曲,就像研究人员在石墨烯中所看到的那样。研究发现,与扭曲变化较多的结构相比,扭曲变化范围较窄的结构具有更明显的奇异物理特性,如超导电性。中国学者、麻省理工学院博士生曹原说:现在我们可以直接看到这些局部的扭曲变化,研究如何设计扭曲角度的变化来实现设备中的不同量子相位是很有趣的。

    可调谐物理

    在过去的两年里,曹原等研究人员对石墨烯和其他材料的不同搭配进行了实验,看看以特定的角度扭曲它们是否会带来奇异的物理行为,如果扩大结构,以抵消不是两层,而是四层石墨烯,“魔角”石墨烯的迷人物理学是否会站得住脚。自从石墨烯在近15年前被发现以来,关于其性质的大量信息已经被披露,不仅是作为一张薄膜,而且还在多层中堆叠和排列(即一种类似于在石墨或铅笔芯中发现的结构)。

    曹原再获重大突破:连发两项成果,四层“魔角”扭曲石墨烯诞生

    双层石墨烯(彼此成0度角的两层)是一个现在研究人员非常了解其性质的系统,理论计算表明,在双层顶部的双层结构中,有趣的物理发生角度范围更大。因此,这种类型的结构在制造器件方面可能更适合。部分受到这一理论可能性的启发,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,将这种新的“双层”扭曲结构连接到电池上,施加电压,并测量当将该结构置于各种条件下(如磁场和垂直电场)时流过的电流。

    曹原再获重大突破:连发两项成果,四层“魔角”扭曲石墨烯诞生

    就像由两层石墨烯制成的“魔角”结构一样,这种新的四层石墨烯结构显示出一种奇异的绝缘行为。但独一无二的是,研究人员能够通过电场上下调这种绝缘性,这是双层魔角石墨烯不可能做到的。中国学者、麻省理工学院博士生曹原说:这个系统是高度可调谐的,这意味着我们有很大的“控制力”,这将能让我们研究用单层“魔角”石墨烯无法理解的东西。现在还处于该领域的早期阶段,就目前而言,物理界仍对其现象着迷。

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    博科园|研究/来自:麻省理工学院

    研究发表期刊《自然》

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