研究人员绘制出了石墨烯“魔法角度”的微小变化

石墨烯是由六边形蜂窝状结构的单层碳原子构成的，其结构简单且看似精致。自2004年发现石墨烯以来，科学家们发现它实际上异常坚固。尽管石墨烯不是一种金属，但它的导电速度超高，比大多数金属都要快。

在2018年,麻省理工学院的科学家牵头Pablo Jarillo-Herrero和曹元发现两层石墨烯堆叠在一起时稍微抵消“魔法”的角度,新“扭曲”石墨烯结构可以成为绝缘体,完全阻止电流经材料,或自相矛盾的是,超导体,能够让电子穿越无阻力。这是一项具有里程碑意义的发现，帮助开创了一个名为“缠绕电子学”(twistronics)的新领域，即研究扭曲石墨烯和其他材料的电子行为。

现在，麻省理工学院的研究小组在本周的《自然》杂志上发表了两篇论文，报告了他们在石墨烯缠绕电子学方面的最新进展。

在第一项研究中，研究人员与魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的合作者首次以足够高的分辨率对整个扭曲的石墨烯结构进行了成像和绘图，他们能够看到整个结构的局部扭曲角有非常微小的变化。

结果显示，在结构内部，石墨烯层之间的夹角略微偏离平均偏移量1.1度。

研究小组以0.002度的超高角度分辨率检测到了这些变化。这相当于从一英里外就能看到苹果与地平线的角度。

他们发现，角度变化范围较小的结构与扭转角度变化范围较大的结构相比，具有更明显的奇异性质，例如绝缘和超导性。

麻省理工学院的物理学教授Jarillo-Herrero和Ida Green说:“这是第一次一个完整的设备被设计出来，来观察设备中给定区域的扭转角。”“我们看到，你可以有一点点的变化，仍然显示超导性和其他奇异的物理，但它不能太多。我们现在已经描述了你可以有多少扭曲的变化，以及有太多扭曲的退化效果是什么。”

在第二项研究中，研究小组报告了一种新的扭曲石墨烯结构，这种结构不是两层而是四层石墨烯。他们观察到，新的四层磁角结构比它的两层结构对某些电场和磁场更敏感。这意味着研究人员可以更容易、更可控地研究四层体系中石墨烯的奇异特性。

麻省理工学院研究生曹说:“这两项研究的目的是更好地理解魔术角度电子设备令人困惑的物理行为。”物理学家们相信，一旦这些设备被理解，它们将有助于设计和制造新一代高温超导体、用于量子信息处理的拓扑设备以及低能量技术。

就像塑料包装上的皱纹

自从Jarillo-Herrero和他的团队首次发现神奇角度石墨烯以来，其他人就抓住机会观察和测量它的特性。一些研究小组已经利用扫描隧道显微镜技术(STM)对磁角结构进行了成像，这种技术可以在原子水平上对表面进行扫描。然而，研究人员只能用这种方法扫描小片的魔法角度石墨烯，其最大跨度只有几百平方纳米。

Jarillo-Herrero说:“通过整个微米级的结构来观察数百万个原子是STM最不适合的。”“原则上可以做到，但需要大量时间。”

因此，该小组咨询了魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute for Science)的研究人员，后者开发了一种扫描技术，他们称之为“扫描纳米鱿鱼”(scanning nano-SQUID)，鱿鱼的意思是超导量子干涉设备。传统的鱿鱼像一个小的对开环，它的两个部分是由超导材料和连接连接在一起。在类似于STM的设备顶端，鱿鱼可以在显微镜下测量流经环的样本磁场。魏茨曼研究所的研究人员缩小了乌贼的设计，以在纳米尺度上感知磁场。

将石墨烯置于一个小磁场中，由于形成了所谓的“朗道能级”，它会在整个结构中产生持久的电流。“这些朗道能级，以及因此而产生的持续电流，对局部扭转角非常敏感，例如，根据局部扭转角的精确值，会产生不同大小的磁场。通过这种方式，纳米鱿鱼技术可以检测到1.1度范围内的微小偏移量。

Jarillo-Herrero说:“结果证明这是一项了不起的技术，它可以捕捉到距离1.1度只有0.002度的微小角度变化。”“这对于绘制魔法角度石墨烯非常有用。”

研究小组利用这一技术绘制出了两种魔法角度结构:一种扭曲变化范围较窄，另一种扭曲变化范围较宽。

“我们将一层石墨烯置于另一层之上，类似于将保膜置于保膜之上，”Jarillo-Herrero说。“你会认为会有褶皱，两张纸的某些地方会有点扭曲，有些扭曲程度较轻，就像我们在石墨烯上看到的那样。”

他们发现，与扭转变化幅度较大的结构相比，扭转变化幅度较小的结构具有更明显的奇异物理性质，例如超导性。

曹说:“现在我们可以直接看到这些局部扭曲的变化，研究如何设计扭曲角度的变化来实现设备中不同的量子相位可能会很有趣。”

可调物理

在过去的两年里，研究人员对石墨烯和其他材料的不同配置进行了实验，以确定以特定角度扭曲它们是否会带来奇异的物理行为。Jarillo-Herrero的团队想知道，如果他们将石墨烯的结构扩展到四层而不是两层，神奇角度石墨烯的迷人物理特性是否还能继续。

自从石墨烯在近15年前被发现以来，已经有大量关于其性质的信息被揭示出来，不仅是作为单一的薄片，而且是多层堆叠和排列的——这种结构与你在石墨或铅笔芯中发现的结构类似。

“双层石墨烯——两层之间的夹角为0度——是一种我们很了解其特性的体系，”Jarillo-Herrero说。“理论计算表明，在双层结构上的双层结构中，有趣的物理现象发生的角度范围更大。因此，就制造设备而言，这种结构可能更为宽容。”

在一定程度上受到这种理论可能性的启发，研究人员制造了一种新的魔法角结构，将一层石墨烯双层与另一层抵消1.1度。然后，他们将新的“双层”扭曲结构连接到一块电池上，施加电压，并测量在各种条件下(如磁场和垂直电场)放置该结构时流过设备的电流。

就像由两层石墨烯制成的魔术角结构一样，新的四层结构显示出一种奇异的绝缘性能。但独特的是，研究人员能够利用电场上下调节这种绝缘性能——这是用双层石墨烯做不到的。

曹说:“这个系统是高度可调的，这意味着我们有很多控制，这将允许我们研究单层石墨烯无法理解的东西。”

“这个领域还处于非常早期的阶段，”Jarillo-Herrero说。“目前，物理学界仍然对它的现象着迷。人们幻想着我们能制造出什么样的设备，但意识到这还为时过早，关于这些系统，我们还有很多东西要学。”

这项研究的部分资金由美国能源部、国家科学基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会以及萨戈尔·魏茨曼-麻省理工学院桥梁项目提供。