扭曲到1.08度"魔角"的超导石墨烯中的量子几何魔法

扭曲到1.08度"魔角"的超导石墨烯中的量子几何魔法石墨烯是单层的碳原子，2018年，麻省理工学院的科学家们发现，在适当的条件下，如果将一块石墨烯铺在另一块石墨烯上，并将这两层石墨烯扭曲到一个特定的角度--1.08度--形成扭曲的双层石墨烯，石墨烯就可以成为超导体。自那以后，科学家们一直在研究这种扭曲的双层石墨烯，并试图弄清楚这个"神奇的角度"是如何工作的，俄亥俄州立大学物理学教授、《自然》杂志论文的共同作者MarcBockrath说。"传统的超导理论在这种情况下不起作用，"Bockrath说。"我们做了一系列的实验，以了解这种材料成为超导体的根源。"在传统金属中，高速电子负责导电性。但是扭曲的双层石墨烯有一种被称为"平带"的电子结构，其中电子的移动速度非常慢--事实上，如果角度正好是神奇的1，其速度接近零。研究报告的共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授JeanieLau说，根据传统的超导理论，移动速度如此缓慢的电子不应该能够导电。论文的第一作者、Lau研究小组的一名学生HaidongTian以极高的精度获得了一个非常接近"魔角"的装置，按照通常的凝聚态物理学标准，电子几乎被阻止。但该样品还是显示出了超导性。"这是一个悖论：运动如此缓慢的电子怎么可能导电？更不用说超导了。"Lau说。在他们的实验中，研究小组证明了电子的缓慢速度，并对电子运动进行了比以前更精确的测量。而且他们还发现了使这种石墨烯材料如此特别的第一个线索。"我们不能用电子的速度来解释扭曲的双层石墨烯是如何工作的，"Bockrath说。"相反，我们不得不使用量子几何。"就像所有的量子一样，量子几何是复杂的，不是直观的。但这项研究的结果与以下事实有关：电子不仅是一个粒子，也是一个波--因此有波函数。"平带中的量子波函数的几何形状，加上电子之间的相互作用，导致电流在双层石墨烯中流动而不耗散，"共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授MohitRanderia说。"我们发现，传统的方程式可以解释我们发现的超导信号的10%。我们的实验测量表明，量子几何是使其成为超导体的90%，"Lau说。这种材料的超导效应只能在极低温度的实验中发现。最终的目标是能够了解导致高温超导的因素，这在现实世界的应用中可能会很有用，例如电力传输和通信。"这将对社会产生巨大的影响，这是一个漫长的过程，但这项研究肯定会使我们在理解它如何发生方面取得进展。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1347799.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1347799.htm

揭开新兴领域"扭曲物理"的神秘面纱：石墨烯带材推动了材料潜能的开发

揭开新兴领域"扭曲物理"的神秘面纱：石墨烯带材推动了材料潜能的开发图中灰色的石墨烯弯曲带平铺在另一片石墨烯薄片上。上面的石墨烯带和下面的石墨烯片之间的扭转角度在不断变化。在某些地方，两片石墨烯的原子晶格以0°角对齐，而在另一些地方，两片石墨烯的原子晶格相对扭曲了5°之多。资料来源：哥伦比亚大学CoryDean认为自己对某种材料了如指掌？试着给它来个扭转--字面上的扭转。这就是凝聚态物理新兴领域"扭曲物理"的主要理念。这一领域的研究人员通过微妙的变化--小到叠层之间的角度从1.1°变为1.2°--极大地改变了石墨烯等二维材料的特性。例如，扭曲的石墨烯层已被证明具有单层石墨烯所没有的特性，包括磁体、超导体或绝缘体，而这一切都源于层间扭曲角度的微小变化。从理论上讲，可以通过旋转旋钮来改变扭转角，从而调配出任何特性。然而，哥伦比亚大学物理学家科里-迪恩（CoryDean）认为，现实并非如此简单。两层扭曲的石墨烯可以变得像一种新材料，但人们还不太清楚这些不同特性的确切原因，也无法完全控制它们。迪恩和他的实验室开发出一种简单的新制造技术，可以帮助物理学家更系统、更可重现地探究石墨烯和其他二维材料扭曲层的基本特性。他们在《科学》（Science）杂志上撰文指出，他们使用石墨烯的长"带"，而不是方形薄片，制造出的器件在扭转角度和应变方面的可预测性和可控性都达到了新的水平。石墨烯器件通常由原子般薄的石墨烯薄片组装而成，薄片只有几平方毫米。片状石墨烯之间的扭曲角度是固定的，而且片状石墨烯很难平滑地层叠在一起。该论文的共同作者、博士后比亚克-杰森（BjarkeJessen）说："把石墨烯想象成'纱布'--当你把两片石墨烯放在一起时，就会出现随机的小褶皱和气泡。这些气泡和褶皱类似于薄片之间扭曲角度的变化，以及薄片之间产生的物理应变，可导致材料随意弯曲和挤压。所有这些变化都会产生新的行为，但在设备内部和设备之间却很难控制。"带状材料可以使一切变得平滑。实验室的新研究表明，只需用原子力显微镜的尖端轻轻一推，就能将石墨烯带弯曲成稳定的弧形，然后将其平放在第二层未弯曲的石墨烯层上。这样，两层石墨烯之间的扭转角就会在整个装置的长度范围内产生从0°到5°的连续变化，应变均匀分布，再也不会出现随机气泡或皱褶。"我们不必再用10个不同的角度制作10个独立的装置来观察会发生什么，"博士后兼合著者MaëlleKapfer说。"而且，我们现在可以控制应变，这在以前的扭曲装置中是完全没有的。"研究小组使用特殊的高分辨率显微镜来确认他们的设备有多均匀。有了这些空间信息，他们开发出了一种机械模型，可以根据弯曲带的形状预测扭转角度和应变值。第一篇论文的重点是表征石墨烯带以及其他可减薄至单层并堆叠在一起的材料的行为和特性。迪恩指出："迄今为止，我们尝试过的每一种二维材料都能做到这一点。从这里开始，实验室计划利用他们的新技术来探索量子材料的基本特性如何随着扭曲角度和应变的变化而变化。例如，先前的研究表明，当扭曲角为1.1时，两层扭曲的石墨烯会像超导体一样工作。"然而，目前有各种不同的模型来解释这个所谓的"魔力角"超导现象的起源，并预测了迄今为止难以稳定的其他魔力角。利用包含0°至5°之间所有角度的带状材料制成的设备，研究小组可以更精确地探索这种现象和其他现象的起源。"我们正在做的事情就像量子炼金术：把一种材料变成另一种材料。杰森说："我们现在有了一个平台，可以系统地探索这种现象是如何发生的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376707.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376707.htm

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素华盛顿大学领导的研究小组发现，将石墨烯薄片以很小的扭曲角度堆叠在块状石墨上（上图），石墨烯-石墨界面（黄色）上的"奇异"特性就会渗入石墨本身。资料来源：埃利斯-汤普森多年来，科学家们一直在探索由单层原子组成的二维材料的潜力，以彻底改变计算、通信和能源等各个领域。在这些材料中，电子等亚原子粒子只能在二维空间运动，这导致了电子的异常行为和所谓的"奇异"特性。这些特性包括奇异的磁性、超导性和电子间的其他集体行为--所有这些都可能在计算、通信、能源和其他领域大有用武之地。传统上，研究人员认为这些奇异的二维特性只存在于单层薄片或短堆栈中，而这些材料的所谓"块体"版本则由于其复杂的三维原子结构而表现出不同的行为。与上述假设相反，华盛顿大学领导的研究小组于7月19日在《自然》杂志上发表的一项突破性研究表明，有可能赋予石墨这种日常铅笔中的大块三维材料以类似于其二维对应物石墨烯的特性。这一突破不仅出乎意料，研究小组还认为其方法可用于测试类似类型的块状材料是否也能具有类似二维的特性。如果是这样，二维薄片将不会是科学家们推动技术革命的唯一来源，块状三维材料可能同样有用。"将单层堆叠在单层上--或将两层堆叠在两层上--几年来一直是揭示二维材料新物理特性的重点。在这些实验方法中，出现了许多有趣的特性，"资深作者、华大物理学和材料科学与工程学助理教授马修-扬科维茨（MatthewYankowitz）说。"但是，如果不断增加层数会发生什么呢？最终，它必须停止，对吗？这就是直觉的暗示。但在这种情况下，直觉是错误的。在三维材料中混合二维特性是可能的。"由大阪大学和日本国立材料科学研究所的学者组成的研究小组采用了一种常用的方法来处理二维材料。他们以很小的扭曲角度将二维薄片堆叠在一起。研究人员将单层石墨烯置于薄的块状石墨晶体之上，并在两者之间引入了约1度的扭曲角。他们不仅在扭曲的界面上，而且在块状石墨内部发现了新颖的、意想不到的电学特性。Yankowitz同时也是华大清洁能源研究所和华大纳米工程系统研究所的教员，他解释说，扭曲角对于产生这些特性至关重要。二维薄片（如两片石墨烯）之间的扭曲角度会产生所谓的摩尔纹，从而改变电子等带电粒子的流动，诱导材料产生奇特的性质。在石墨和石墨烯的实验中，扭转角度也诱发了摩尔纹，产生了令人惊讶的结果。仅在石墨烯-石墨界面引入的扭曲改变了整个石墨材料的电特性。当施加磁场时，石墨晶体深处的电子表现出与扭曲界面类似的异常特性。从本质上讲，单个扭曲的石墨烯-石墨界面变得与块状石墨的其他部分密不可分地混合在一起。"虽然我们只是在石墨表面产生摩尔纹，但由此产生的特性却渗透到整个晶体中，"共同第一作者、华盛顿大学物理学博士后研究员达肯-沃特斯（DacenWaters）说。对于二维薄片来说，摩尔纹产生的特性可用于量子计算和其他应用。在三维材料中诱导类似的现象，将为研究不寻常和奇异的物质状态以及如何将它们带出实验室、带入我们的日常生活提供新的方法。共同第一作者、华盛顿大学物理学博士生埃利斯-汤普森（EllisThompson）说："整个晶体都呈现出这种二维状态。这是影响块体材料中电子行为的一种全新方式。"扬科维茨和他的团队认为，他们在石墨烯和块状石墨晶体之间产生扭转角的方法可以用来制造其姊妹材料的2D-3D混合体，包括二碲化钨和五碲化锆。这将开启一种新方法，利用单一二维界面重新设计传统块体材料的特性。Yankowitz说："这种方法可以成为研究具有混合二维和三维特性的材料中令人兴奋的新物理现象的一个真正丰富的乐园。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371903.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371903.htm

科学家在五层石墨烯中发现奇异的新电子态

科学家在五层石墨烯中发现奇异的新电子态五层石墨烯堆栈中的电子呈现出奇特的多铁性新状态的艺术家印象图石墨烯本质上只是一块超薄的普通石墨薄片--事实上，它薄到只有一个原子厚。但是，尽管石墨烯的起点如此卑微，它却具有超强、超导、柔韧等特性，并有望彻底改变从电子产品、服装到航空航天工程等一切领域。当你开始堆叠石墨烯薄片，甚至将它们扭曲到特定角度时，其他非凡的能力就会显现出来，比如磁性或超强的透水性。在新的研究中，麻省理工学院的研究小组又发现了另一种材料--"多铁性行为"，这在材料界是非常罕见的。铁性材料是指其粒子具有协调行为的材料--例如，磁铁的所有电子即使在没有外部磁场的情况下也会将自旋指向同一方向。多铁性材料是指显示出不止一种协调行为的材料，例如，磁性指向一个方向，而电荷指向另一个方向。研究人员计算出，在非常特殊的情况下，石墨烯应该成为多铁性材料。从理论上讲，只有当五层石墨烯叠放在一起，每层略有偏移，使三维整体形成菱形时，才会出现多铁性。在五层石墨烯中，电子恰好处于晶格环境中，它们的移动速度非常缓慢，因此可以有效地与其他电子相互作用。这时电子相关效应开始占主导地位，它们可以开始协调成某些优先的铁氧体秩序。接下来，研究小组开始在实践中证实这一理论，他们从石墨块上刮下石墨烯薄片，并用强力显微镜进行检查，以找到一些自然具有理想菱形形状的石墨烯。然后，他们将发现的几种石墨烯分离出来，在略高于绝对零度的温度下进行研究，在这种温度下，其他效应会减弱，因此只有他们正在寻找的石墨烯才能发光。果然，研究小组发现，这些特殊薄片中的电子对一个方向的电场和另一个方向的磁场反应一致，证实了多铁行为。但即使是这些单独的行为也是不寻常的--磁性产生于电子轨道运动的协调，而不是它们的自旋。电子行为产生于电子优先进入一个"谷"（或最低能量状态），而不是平均进入两个谷。因此，研究小组将这种奇特的电子状态称为"铁谷性"。"我们知道在这种结构中会发生一些有趣的事情，但我们不知道具体是什么，直到我们进行了测试，"该研究的共同第一作者卢正光说。"这是我们第一次看到铁谷电子学，也是我们第一次看到铁谷电子学与非常规铁磁体共存"。研究人员说，这种奇特的行为最终可以被利用来有效地将芯片的数据存储容量提高一倍。这项研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390923.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390923.htm

来自中国科学院物理研究所、国家纳米科学中心等单位的科研人员，通过研究三层石墨烯的菱形堆垛结构发现，在菱形堆垛三层石墨烯中，电子和

来自中国科学院物理研究所、国家纳米科学中心等单位的科研人员，通过研究三层石墨烯的菱形堆垛结构发现，在菱形堆垛三层石墨烯中，电子和红外声子之间具有强相互作用，这有望应用于光电调制器和光电芯片等领域。相关研究成果在线发表于《自然-通讯》杂志。据悉，这项研究为理解菱形堆垛的三层石墨烯中的超导和铁磁等物理效应提供了新的视角。同时，它也为新一代光电调制器和光电芯片的设计提供了相关材料研究的基础。（科技日报）

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工

研究人员实现用飞秒激光进行石墨烯纳米加工石墨烯于2004年被发现，它已经彻底改变了各种科学领域。它拥有高电子迁移率、机械强度和热导率等显著特性。人们投入了大量的时间和精力来探索它作为下一代半导体材料的潜力，催生了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器等一系列有用部件。但是，为了使这些设备进入实际应用，关键是要有高效的加工技术，可以在微米和纳米尺度上构造石墨烯薄膜。通常，微/纳米尺度的材料加工和设备制造采用纳米光刻技术和聚焦离子束方法。然而，由于需要大规模的设备、冗长的制造时间和复杂的操作，这些都给实验室研究人员带来了长期的挑战。早在一月份，东北大学的研究人员创造了一种技术，可以对厚度为5至50纳米的氮化硅薄片进行微/纳米制造。该方法采用了飞秒激光，它发射出极短的快速光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速、方便地加工薄型材料。(a)激光加工系统的示意图。(b)石墨烯薄膜上32个激光点的形成。(c)经过多点钻孔的石墨烯薄膜的图像。通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，同一小组现在已经成功地进行了多点钻孔而不损坏石墨烯薄膜。他们的突破性细节于2023年5月16日在《纳米通讯》杂志上报道。东北大学先进材料多学科研究所的助理教授、该论文的共同作者YuukiUesugi说："通过对输入能量和激光射击次数的适当控制，我们能够执行精确的加工并创造出直径从70纳米--远小于520纳米的激光波长--到超过1毫米的孔。"通过扫描透射电子显微镜观察到的激光加工的石墨烯薄膜的图像。黑色区域表示打孔。白色物体表示表面污染物。资料来源：YuukiUesugi等人。在通过高性能电子显微镜仔细检查用低能量激光脉冲照射的区域时，上杉和他的同事发现，石墨烯上的污染物也已被清除。进一步的放大观察发现了直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，在石墨烯的晶体结构中缺少几个碳原子。石墨烯中的原子缺陷既是有害的也是有利的，这取决于应用。虽然缺陷有时会降低某些特性，但它们也会引入新的功能或增强特定的特性。通过高倍率透射电子显微镜获得的图像。红色区域表示纳米孔。蓝色区域表示污染物。箭头所指的位置存在原子缺陷。"观察到纳米孔和缺陷的密度随着激光射击的能量和数量成比例增加的趋势，使我们得出结论，纳米孔和缺陷的形成可以通过使用飞秒激光照射来操纵，"Uesugi补充说。"通过在石墨烯中形成纳米孔和原子级缺陷，不仅可以控制导电性，还可以控制量子级特性，如自旋和谷值。此外，这项研究中发现的通过飞秒激光照射去除污染物的方法可以开发出一种非破坏性和清洁地清洗高纯度石墨烯的新方法。"展望未来，该团队旨在建立一种使用激光的清洗技术，并对如何进行原子缺陷的形成进行详细调查。进一步的突破将对从量子材料研究到生物传感器开发等领域产生巨大影响。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1363301.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1363301.htm