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

天然双层石墨烯内发现新奇量子效应

天然双层石墨烯内发现新奇量子效应由德国哥廷根大学领导的一个国际研究团队在最新一期《自然》杂志上发表论文称，他们在对天然双层石墨烯开展的高精度研究中，发现了新奇的量子效应，并从理论上对其进行了解释。这一系统制备简单，为载荷子和不同相之间的相互作用提供了新见解，有助于理解所涉及的过程，促进量子计算机的发展。2004年，两位英国科学家用一种非常简单的实验方法从石墨中剥离出石墨片，并借助特殊胶带得到仅由一层碳原子构成的石墨烯。石墨烯是强度最高的材料之一，具有很好的韧性、超强导热性与导电性，应用前景十分广阔。如果将两层石墨烯彼此以特定的角度偏转，所得到的系统甚至会表现出超导性和其他激发量子效应，如磁性。但迄今为止，很难制备出这种偏转的双层石墨烯。在最新研究中，科学家们使用了天然形成的双层石墨烯。他们首先使用简单的胶带从一块石墨中分离出石墨烯样品。为观察量子力学效应，施加了垂直于样品的高电场。他们发现，所得到系统的电子结构发生了变化，且拥有类似能量的电荷载流子出现强烈的累积效应。研究进一步发现，在略高于绝对零度（-273.15℃）下，石墨烯中的电子可相互作用，出现了各种意想不到且复杂的量子相。如相互作用导致电子自旋对齐，使材料在没有施加外部影响的情况下具有磁性。通过改变电场，研究人员也能不断改变双层石墨烯中载流子相互作用的强度。此外，电子运动的自由度在特定条件下会受限，形成电子晶格，且由于相互排斥作用，不再有助于传输电荷，导致系统对电绝缘。哥廷根大学物理系托马斯·韦茨教授表示，新系统的主要优势之一在于材料制备非常简单，研究人员不需要像以前那样在高温下才能获得所需结果，可用于进一步研究各种量子态及量子计算机等。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305337.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305337.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

量子电路的革命：石墨烯的精密工程

量子电路的革命：石墨烯的精密工程圣地亚哥-德-坎波斯特拉大学生物化学和分子材料研究中心（CiQUS-USC）的DiegoPeña教授，ICN2团队的前成员、目前在坎塔布里亚大学担任研究员的CesarMoreno博士，以及多诺斯蒂亚国际物理中心（DIPC）和Ikerbasque基金会的AranGarcia-Lekue博士已经做了类似的事情，但在单原子尺度上，目的是合成具有可调整特性的新型碳基材料。正如刚刚发表在《美国化学学会杂志》（JACS）上的一篇论文所解释的那样，这项研究是原子薄型材料精确工程的一个重大突破--由于其尺寸减少而被称为"二维材料"。所提出的制造技术为材料科学开辟了令人兴奋的新的可能性，特别是在先进的电子产品和未来可持续能源的解决方案中的应用。该研究被刊登在《美国化学会杂志》（JACS）的封面上。资料来源：MariaTenorio博士和DámasoTorres-ICN2这项研究的作者通过连接被称为"纳米带"的超窄石墨烯条，通过由苯基分子（是大分子的一部分）组成的灵活"桥梁"，合成了一种新的纳米多孔石墨烯结构。通过连续修改这些桥的结构和角度，科学家们可以控制纳米带通道之间的量子连通性，并最终对石墨烯纳米结构的电子特性进行微调。这种可调性也可以由外部刺激控制，如应变或电场，为不同的应用提供机会。这些突破性的发现来自于西班牙顶级机构（CiQUS、ICN2、坎塔布里亚大学、DIPC）和丹麦技术大学（DTU）之间的合作，表明所提出的分子桥策略可以对具有定制属性的新材料的合成产生巨大影响，是实现量子电路的有力工具。这些电路执行的操作与传统电路类似，尽管与后者不同，量子电路利用了量子效应和现象。这些系统的设计和实现与量子计算机的发展极为相关。但本研究提出的方法的潜在应用超越了未来的电子设备和计算机。事实上，它还可以导致热电纳米材料的发展，这在可再生能源发电和废热回收方面可以产生重要影响，因此解决了另一个关键的社会挑战。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357837.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357837.htm

推进量子物质 构建原子块的"黄金法则"

推进量子物质构建原子块的"黄金法则"时钟模型显示了时针（顶部hBN）、分针（中间石墨烯）和秒针（底部hBN）之间的旋转排列。顶部石墨烯、中部石墨烯和底部石墨烯的组合在时钟中心形成了超漩涡晶格结构。资料来源：新加坡国立大学超级摩尔纹当两个完全相同的周期性结构重叠在一起，它们之间有一个相对的扭转角，或者两个不同的周期性结构重叠在一起，但有或没有扭转角时，就会形成摩尔纹。扭转角是指两种结构的晶体学取向之间的夹角。例如，当石墨烯和六方氮化硼（hBN）这两种层状材料相互叠加时，两种结构中的原子并不完全对齐，从而产生一种干涉条纹图案，称为摩尔纹。这就产生了电子重构。石墨烯和氢化硼中的摩尔纹已被用于创造具有奇特性质的新结构，如拓扑电流和霍夫斯塔特蝴蝶态。当两个摩尔纹叠加在一起时，就会产生一种称为超摩尔纹晶格的新结构。与传统的单一摩尔纹材料相比，这种超级摩尔纹晶格扩大了可调材料特性的范围，从而有可能应用于更多领域。新加坡国立大学物理系的成果新加坡国立大学物理系Ariando教授领导的研究团队开发了一种技术，并成功实现了hBN/石墨烯/hBN超漩涡晶格的受控排列。这项技术可以精确地排列两个摩尔纹图案，一个在另一个之上。同时，研究人员还制定了"黄金三法则"，以指导如何使用他们的技术来创建超级漩涡晶格。研究成果最近发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志上。石墨烯与顶层六方氮化硼（T-hBN）和底层六方氮化硼（B-hBN）之间形成的具有扭曲角度（θt和θb）的超漩涡晶格的艺术图解。轻微的错位导致了超漩涡晶格图案的形成。来源：《自然-通讯挑战与解决方案创建石墨烯超褶皱晶格面临三大挑战。首先，传统的光学配准在很大程度上依赖于石墨烯的直边，但要找到合适的石墨烯薄片费时费力；其次，即使使用直边石墨烯样品，由于其边缘手性和晶格对称性的不确定性，获得双配准超oiré晶格的概率也很低，只有1/8。第三，虽然可以确定边缘手性和晶格对称性，但对齐误差往往很大（大于0.5度），因为对齐两种不同的晶格材料具有物理挑战性。研究论文的第一作者胡俊雄博士说："我们的技术有助于解决现实生活中的问题。许多研究人员告诉我，制作一个样品通常需要近一周的时间。有了我们的技术，他们不仅可以大大缩短制作时间，还能大大提高样品的精确度"。技术见解科学家们首先使用"30°旋转技术"来控制顶部氢化硼和石墨烯层的对齐。然后，他们使用"翻转技术"来控制顶部hBN层和底部hBN层的对齐。基于这两种方法，他们可以控制晶格对称性并调整石墨烯超漩涡晶格的带状结构。他们还证明，邻近的石墨边缘可以作为堆叠排列的导向。在这项研究中，他们制作了20个摩尔纹样品，精度优于0.2度。Ariando教授说："我们已经为我们的技术确立了三条黄金法则，这可以帮助二维材料界的许多研究人员。许多研究其他强相关系统（如魔角扭曲双层石墨烯或ABC堆积多层石墨烯）的科学家也有望从我们的工作中受益。通过这一技术改进，我希望能加速下一代摩尔量子物质的发展。"未来的努力目前，研究团队正在利用这项技术制造单层石墨烯超漩涡晶格，探索这种材料体系的独特性质。此外，他们还在将目前的技术推广到其他材料系统，以发现其他新奇的量子现象。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381233.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381233.htm

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动艺术家绘制的天然双层石墨烯中的移动电荷。资料来源：LukasKroll此外，他们还证明，电流可以"开关"，这为开发微小、节能的晶体管提供了可能--就像家里的电灯开关，但却是纳米级的。美国麻省理工学院（MIT）和日本国立材料科学研究所（NIMS）也参与了这项研究。研究成果发表在科学杂志《自然通讯》上。安娜-塞勒博士。图片来源：ChristianEckel石墨烯的特性与挑战石墨烯于2004年被发现，是由单层碳原子组成的。石墨烯具有许多不寻常的特性，其中最著名的是其超高的导电性，这是因为电子在这种材料中以高速、恒定的速度穿行。这一独特的特性让科学家们梦想着利用石墨烯制造速度更快、能效更高的晶体管。所面临的挑战是，要制造出晶体管，需要控制材料在高导电状态之外还具有高绝缘状态。然而，在石墨烯中，载流子速度的这种"切换"并不容易实现。事实上，石墨烯通常没有绝缘状态，这限制了石墨烯作为晶体管的潜力。石墨烯晶体管研究取得突破性进展哥廷根大学的研究小组现在发现，自然形成的双层石墨烯中的两层石墨烯结合了两方面的优点：除了绝缘状态外，这种结构还能支持电子像光一样以惊人的速度运动，就像它们没有质量一样。研究人员发现，通过施加垂直于材料的电场，可以改变这种状况，使双层石墨烯成为绝缘体。托马斯-韦茨教授。资料来源：TWeitz快速移动电子的这一特性早在2009年就已在理论上得到预测，但由于NIMS提供的材料以及与麻省理工学院在理论方面的密切合作，样品质量显著提高，才有可能在实验中发现这一特性。虽然这些实验是在低温条件下进行的--低于冰点约273°--但它们显示了双层石墨烯制造高效晶体管的潜力。"我们早就知道这个理论。但是，现在我们已经进行了实验，实际显示了电子在双层石墨烯中类似光的分散。对于整个团队来说，这是一个非常激动人心的时刻，"哥廷根大学物理系的托马斯-韦茨教授说。哥廷根大学博士后研究员、第一作者AnnaSeiler博士补充说："我们的工作只是迈出了关键的第一步。研究人员下一步将研究双层石墨烯是否真的能改善晶体管，或者研究这种效应在其他技术领域的潜力。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427873.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427873.htm