什么是2D材料，为什么科学家对它们感兴趣？

如果你最近在 《哥伦比亚新闻》 或其他地方读到过任何关于量子研究的报道，你可能听说过“二维材料”或“二维材料”这个词。

今年1月，哥伦比亚大学的化学家发表了一项关于第一个二维重费米子的研究，费米子是一类具有非常重电子的材料。11 月，工程学院发表了一篇关于“激光驱动 2D 材料”的故事。去年早些时候，研究人员在同一种2D材料中发现了超导性和铁电性。这样的例子不胜枚举。

那么，什么是2D材料，为什么科学家对它们如此感兴趣？

二维材料顾名思义：只有 1 或 2 个原子厚的材料，但在其他方向上都更宽。通常，科学家正在研究的2D材料只有几平方微米大，肉眼看不见，但用你可能在高中科学课上使用的那种显微镜可以看到。科学家们正在研究的2D材料是天然存在的材料的混合物，如石墨烯，一种2004年在哥伦比亚发现的超强碳形式，以及实验室合成的材料，如CeSil，一种去年在哥伦比亚首次组装的晶体，由铈，硅和碘组成。这些材料通常从三维开始，科学家将它们剥离到二维，对它们进行实验，并找出当材料是原子平面时可能出现的物理特性，如超导性或磁性。科学家们正在努力开发从头开始制造 2D 材料的新方法，而无需将它们从 3D 上剥离下来，但这些材料的质量仍然不完美。

许多因素使2D材料变得有趣，但最主要的是它们限制了电子等粒子在其中移动的方式。哥伦比亚大学化学家泽维尔·罗伊（Xavier Roy）用一个交通类比来解释：

“可以这样想：如果我们有可以在三维空间中行驶的飞行汽车，我们将能够减少纽约的大部分交通。但是，由于我们目前的汽车只能以二维方式行驶，我们最终在时代广场遇到了巨大的交通拥堵，“罗伊在最近的一次采访中说。

“当我们从3D移动到2D时，电子也会发生同样的事情，但在我们的例子中，电子之间的’交通’是有益的！随着这些电子-电子相互作用变得更强，我们可以完全改变材料的特性。例如，随着3D重费米子材料厚度的减小（即当它们变得更加2D时），它们可以从磁性转变为超导性。

二维材料也可以相对容易地调整：将它们堆叠在层之间以轻微的角度堆叠，施加电场和磁场等力，并通过扭曲或施加压力来拉紧材料，可以改变它们的特性。举个例子：通过简单地将两片称为二硒化钨的材料堆叠在一起，扭曲它们，并添加或去除电荷，该材料可以从导电金属切换到阻电绝缘体，然后再切换回来。

科学家们也对2D材料在技术中的潜在用途感到兴奋，科学家们通常将其称为“应用”。

二维材料可能会在下一代电子产品中发挥至关重要的作用，包括仍在开发中的量子计算机。为什么？在很大程度上，因为 2D 材料是超小的，具有独特的、可控的特性（如超导性），并且技术一直在寻找能够更快、更高效、使用更少空间的结果。