Graphene Twists可以帮助工程师计算设备

由单层碳原子制成，六边形蜂窝图案连接，石墨烯的结构简单且看似精致。自2004年发现以来，科学家们发现石墨烯实际上非常强劲。尽管石墨烯不是金属，但它在超高速度下进行电力，而不是大多数金属。

2018年，由Pablo Jarillo-Herrero和元Cao领导的麻省理工学院科学家发现，当两张石墨烯以略微偏移“魔法”角度堆叠在一起时，新的“扭曲”石墨烯结构可以成为绝缘体，完全阻挡电力流过材料，或矛盾的超导体，能够使电子通过不具有阻力的情况。这是一个巨大的发现，有助于推出一种被称为“扭曲的新领域”，这对扭曲石墨烯和其他材料中的电子行为的研究。

在第一项研究中，研究人员以及在Weizmann科学研究所的合作者以及首次成像并映射了整个扭曲的石墨烯结构，在足够精细的分辨率上，它们能够看到局部扭曲角度非常轻微变化穿过整个结构。

结果揭示了石墨烯层之间的角度在略微远离1.1度的平均偏移之间的角度。

该团队以0.002度的超高角分辨率检测了这些变化。这相当于能够从一英里远离地平线看苹果的角度。

他们发现，具有较窄的角度变化范围较窄的结构具有更明显的异国特性，例如绝缘和超导，与具有更宽范围的扭曲角度的结构。

“这是整个设备已经被映射出来的第一次，以查看设备中给定区域的扭曲角度是什么，”麻省理工学院的物理学塞西尔和IDA绿色教授。“我们看到你可以有一点变体，仍然展示超导和其他异国情调的物理学，但它不会太多。我们现在已经表现了多少扭曲变异，以及太多的劣化效果是多少。“

在第二次研究中，团队报告创建了一种新的扭曲石墨烯结构，而不是两个，而是四层石墨烯。他们观察到，与其两层前身相比，新的四层魔法角结构对某些电场更敏感。这表明研究人员可以更容易和可控地研究四层系统中魔法角图石墨烯的异国特性。

“这两项研究旨在更好地了解魔法角扭曲器件的令人难以置信的物理行为，”麻省理工学院的研究生曹说。“曾经理解的是，物理学家认为这些设备可以帮助设计和工程师新一代高温超导体，拓扑设备，用于量子信息处理和低能量技术。”

像塑料包裹的皱纹

由于Jarillo-Herrero和他的团队首次发现了魔法角图石墨烯，因此其他人已经跳过了观察和测量其性质的机会。几个组具有成像的魔法角结构，使用扫描隧道显微镜或STM，一种扫描原子水平表面的技术。然而，研究人员只能使用这种方法扫描小魔法角图石墨烯，跨越大多数百平方米的小斑块。

“越过整个微米级结构看几百万原子是STM不适合的东西，”Jarillo-Herrero说。“原则上它可以完成，但会采取巨大的时间。”

因此，该集团与科学研究所的研究人员进行了咨询，他们开发了一种扫描技术，他们称之为“扫描纳米鱿鱼”，其中鱿鱼代表超导量子干涉装置。常规鱿鱼类似于小的二齿环，其两半由超导材料制成并通过两个结合在一起。适合围绕类似于STM的装置的尖端，鱿鱼可以测量以微观规模流过环的样品的磁场。Weizmann研究所的研究人员缩小了鱿鱼设计，以感测纳米级的磁场。

当魔法角图形置于小磁场时，由于所谓的“Landau水平”的形成，它会产生跨越结构的持久电流。例如，这些Landau水平并因此对局部扭曲角度非常敏感，导致具有不同幅度的磁场，这取决于局部扭曲角度的精确值。以这种方式，纳米鱿鱼技术可以检测从1.1度的微小偏移的区域。

“事实证明，这是一种惊人的技术，可以拿起0.002度远离1.1度的微小角度变化，”Jarillo-Herrero说。“这对于绘制魔法角石墨烯非常有利。”

该组使用该技术来映射两根魔法角结构：一个具有窄范围的扭曲变化，另一个具有更宽范围。

“我们将一片石墨烯放在另一张石墨烯上，类似于将塑料包裹放在塑料包装的顶部，”Jarillo-Herrero说。“你会期待会有皱纹，两张床单会有点扭曲的地区，就像我们在石墨烯一样看到的那样扭曲。”

他们发现，与具有更多扭曲变化的结构相比，具有较窄的扭曲变化范围较窄的扭曲变化范围的结构具有更明显的异国情调物理学特性，例如超导性。

“现在我们可以直接看到这些当地的扭曲变化，研究如何在设备中工程扭曲角度的变化来研究如何在设备中实现不同的量子阶段，”CAO说。

可调谐物理学

在过去的两年中，研究人员已经尝试了不同的石墨烯和其他材料的配置，以便在某些角度扭曲它们会产生异国情调的物理行为。Jarillo-Herrero的小组想知道魔法角图形的迷人物理是否会升起，如果它们扩展结构，则抵消两个，而是四个石墨烯层。

Since graphene’s discovery nearly 15 years ago, a huge amount of information has been revealed about its properties, not just as a single sheet, but also stacked and aligned in multiple layers — a configuration that is similar to what you find in graphite, or pencil lead.

“双层石墨烯 - 来自彼此的0度角的两层 - 是我们理解的系统，”Jarillo-Herrero说。“理论计算表明，在双层前双层结构中，有趣物理发生的角度的范围更大。因此，这种类型的结构可能更宽容制造设备。“

部分灵感来自这种理论可能性，研究人员制造了一种新的魔法角结构，将一个石墨烯双层与另一个双层偏移1.1度。然后，它们将新的“双层”扭曲结构连接到电池，施加电压，并测量流过器件的电流，当它们放置在各种条件下的结构，例如磁场和垂直电场。

就像由两层石墨烯制成的魔法角结构一样，新的四层结构显示出异国情调的绝缘行为。但是，研究人员能够用电场上下调整这种绝缘性质 - 与两层魔法角图标不可能的东西。

“这个系统是高度可调的，这意味着我们有很多控制，这将使我们能够研究我们无法用单层魔法角石墨烯理解的事情，”Cao说。

“这仍然很早在该领域，”Jarillo-Herrero说。“目前，物理界仍然被它的现象所吸引。人们幻想我们可以做些什么类型的设备，但实现它仍然太早，我们还有很多还要了解这些系统。“

马萨诸塞州理工大学（麻省理工学院）

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- 由Chris Vavra，Associate Editor编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com.。