曹原再獲重大突破連發兩項成果，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，結構簡單，看起來很精緻。自從2004年發現石墨烯以來，科學家們已經發現，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·賈裏洛-赫雷羅為首的麻省理工學院科學家發現：
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”雙層石墨烯結構既可以成為絕緣體，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。這是一個不朽的發現，還同時幫助開啓了一個被稱為“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。現在，麻省理工學院曹原等科學家，在《自然》期刊上連發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構進行了成像和繪製，分辨率足夠精細，能夠看到整個結構上局部扭曲角度的微小變化。結果顯示，在結構內，石墨烯層之間的“魔角”角度略偏離平均偏移1.1度的區域。研究小組在0.002度的超高角分辨率下探測到了這些變化，這相當於能夠從一英里外看到蘋果相對於地平線的角度。
研究發現，與扭曲角度範圍較大的結構相比，角度變化範圍較窄的結構，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説：這是第一次繪製出整個設備的地圖，以瞭解設備中給定區域的扭曲角度。發現，可以有一點變化，但仍然可以表現出超導和其他奇異的物理特性，但不能太多，現在研究已經表徵了可以有多少扭曲變化，以及有太多的退化效應是什麼。
曹原等第二項研究
曹原等研究人員創造了一種新的扭曲石墨烯結構，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”結構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。中國學者、麻省理工學院博士生曹原説：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。
一旦得以瞭解，物理學家相信這些設備可以幫助設計和設計新一代高温超導體，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現“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”結構進行了成像，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”石墨烯小塊區域。曹原麻省理工合著巴勃羅·賈裏洛-赫雷羅（PabloJarillo-Herrero）説：用整個微米級的結構，觀察數百萬個原子並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，麻省理工學院團隊諮詢了魏茨曼科學研究所的研究人員，他們開發了一種被稱為“掃描納米SQUID”的掃描技術，SQUID代表超導量子干涉裝置。
傳統超導量子干涉裝置類似於一個小的二等分環，環的兩半由超導材料製成，並通過兩個結點連接在一起。安裝在類似於掃描隧道顯微鏡(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”石墨烯被置於一個小磁場中時，由於所謂“朗道能級”的形成，它會在結構上產生持續的電流。
例如，這些朗道能級和持續電流對局部扭角非常敏感，根據局部扭角的精確值，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度有微小偏移的區域。曹原麻省理工合著巴勃羅·賈裏洛-赫雷羅表示：事實證明，這是一項令人驚歎的技術，可以捕捉到距離1.1度不到0.002度的微小角度變化，這對於繪製“魔角”石墨烯是非常好的。研究小組使用這項技術繪製了兩種“魔角”結構：一種是扭曲變化範圍較小的，另一種是範圍較大的。
研究把一片石墨烯放在另一片石墨烯上，類似於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，有些沒有那麼扭曲，就像研究人員在石墨烯中所看到的那樣。研究發現，與扭曲變化較多的結構相比，扭曲變化範圍較窄的結構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説：現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設備中的不同量子相位是很有趣的。
可調諧物理
在過去的兩年裏，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，如果擴大結構，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年前被發現以來，關於其性質的大量信息已經被披露，不僅是作為一張薄膜，而且還在多層中堆疊和排列（即一種類似於在石墨或鉛筆芯中發現的結構）。
雙層石墨烯（彼此成0度角的兩層）是一個現在研究人員非常瞭解其性質的系統，理論計算表明，在雙層頂部的雙層結構中，有趣的物理發生角度範圍更大。因此，這種類型的結構在製造器件方面可能更適合。部分受到這一理論可能性的啓發，研究人員製造了一種新的魔角結構，將一個石墨烯雙層與另一個雙層偏移1.1度。然後，將這種新的“雙層”扭曲結構連接到電池上，施加電壓，並測量當將該結構置於各種條件下（如磁場和垂直電場）時流過的電流。
就像由兩層石墨烯製成的“魔角”結構一樣，這種新的四層石墨烯結構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説：這個系統是高度可調諧的，這意味着我們有很大的“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。現在還處於該領域的早期階段，就目前而言，物理界仍對其現象着迷。
博科園｜研究/來自：麻省理工學院
研究發表期刊《自然》
DOI:10.1038/s41586-020-2255-3
DOI:10.1038/s41586-020-2260-6
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