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

新兴的扭转电子学领域正在彻底改变人们对石墨烯等二维材料的认识，它通过改变扭转角来改变二维材料的特性。哥伦比亚大学的一个研究小组利用石墨烯带开发出了一种新技术，可以对这些角度进行更多控制，从而可以更精确地探索扭曲层的特性，并有可能在凝聚态物理学中开启新的应用。

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 Cory Dean

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。

(资料图)

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（Cory Dean）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（Bjarke Jessen）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 Maëlle Kapfer 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。"

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