“魔角”石墨烯中的微小扭曲可以启用量子计算设备

在此插图中，两片石墨烯以略有偏移的“魔术”角堆叠在一起，可以变成绝缘体或超导体。麻省理工学院教授帕勃罗·贾里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）说：“我们将一层石墨烯放在另一层石墨烯上，这类似于将塑料薄膜包裹在塑料薄膜之上。”“您会期望会出现皱纹，并且两张纸的扭曲区域会有些许扭曲，而扭曲的程度会有所降低，就像我们在石墨烯中看到的那样。”

结果可以帮助设计人员设计高温超导体和量子计算设备。

石墨烯由单层以六边形蜂窝状图案连接的碳原子构成，其结构简单而看似精致。自2004年被发现以来，科学家们发现石墨烯实际上异常坚固。尽管石墨烯不是金属，但它以超高速导电，比大多数金属都好。

在2018年，由Pablo Jarillo-Herrero和Yuan Cao领导的MIT科学家发现，当两片石墨烯以稍微偏移的“魔术”角堆叠在一起时，新的“扭曲”石墨烯结构可能成为绝缘体，从而完全阻止了流过该材料，或自相矛盾的是超导体，它能够使电子无阻力地飞过。这是一个里程碑式的发现，它帮助创立了一个新的领域，称为“ twistronics”，这是对扭曲石墨烯和其他材料中电子行为的研究。

现在，麻省理工学院团队在本周发表在《自然》杂志上的两篇论文中，报告了他们在石墨烯反旋技术方面的最新进展。

在第一个研究中，研究人员以及魏茨曼科学研究所的合作者首次对整个扭曲的石墨烯结构进行了成像和制图，其分辨率足够精细，使他们能够看到局部扭曲角的非常微小的变化。遍及整个结构。

结果显示出结构内的区域，其中石墨烯层之间的角度略微偏离了1.1度的平均偏移。

该团队以0.002度的超高角分辨率检测到了这些变化。这等同于能够从一英里远的距离看到苹果相对于地平线的角度。

他们发现，与具有较大扭曲角范围的结构相比，具有较小角度变化范围的结构具有更明显的奇异特性，例如绝缘性和超导性。

麻省理工学院Cecil和Ida Green物理学教授Jarillo-Herrero说：“这是第一次绘制整个设备的图，以查看该设备在给定区域的扭转角是多少。”“而且我们看到您可能会有一点点变化，但仍显示出超导性和其他奇异的物理性质，但是不能太多。现在，我们已经确定了您可以拥有多少扭曲变化，以及扭曲过多会降低性能。”

在第二项研究中，研究小组报告创建了一种新的扭曲石墨烯结构，该结构不是两层而是四层石墨烯。他们观察到，新的四层魔角结构与其前身的两层魔角结构相比，对某些电场和磁场更敏感。这表明研究人员可能能够更轻松地和可控制地研究四层系统中的魔角石墨烯的奇异特性。

麻省理工学院的研究生曹说：“这两项研究旨在更好地理解魔角旋翼装置的令人困惑的物理行为。”“一旦了解，物理学家就会相信这些设备可以帮助设计和制造新一代的高温超导体，用于量子信息处理的拓扑设备以及低能耗技术。”

像保鲜膜上的皱纹

自Jarillo-Herrero和他的小组首次发现魔角石墨烯以来，其他人就抓住了观察和测量其特性的机会。几组人使用扫描隧道显微镜或STM（一种在原子级扫描表面的技术）对魔术角结构进行了成像。但是，研究人员只能使用这种方法扫描最多数百平方纳米的小角度的魔角石墨烯。

Jarillo-Herrero说：“在整个微米级的结构上检查数百万个原子是STM不太适合的。”“原则上可以这样做，但是会花费大量时间。”

因此，该小组咨询了魏茨曼科学研究所的研究人员，他们开发了一种称为“扫描纳米SQUID”的扫描技术，其中SQUID代表超导量子干涉仪。传统的SQUID就像一个小两等分的环，其两半由超导材料制成，并通过两个结点连接在一起。SQUID可以安装在类似于STM的设备尖端周围，可以在微观尺度上测量样品流过环的磁场。魏茨曼研究所的研究人员按比例缩小了SQUID设计，以感应纳米级的磁场。

当将魔角石墨烯置于较小的磁场中时，由于形成了所谓的“朗道能级”，它会在结构上产生持久的电流。这些朗道能级以及因此的持续电流例如对于局部扭转角非常敏感，这导致磁场的大小不同，这取决于局部扭转角的精确值。通过这种方式，nano-SQUID技术可以检测到与1.1度之间有微小偏移的区域。

Jarillo-Herrero说：“事实证明，这是一种了不起的技术，可以从0.00度到0.002度的微小角度变化。”“这对于映射魔术角石墨烯非常有用。”

该小组使用该技术绘制了两个幻角结构：一个扭曲范围较小的扭曲结构，另一个扭曲范围较大的扭曲结构。

Jarillo-Herrero说：“我们将一层石墨烯放在另一层石墨烯上，这类似于在塑料薄膜上放置塑料薄膜。”“您会期望会出现皱纹，并且两张纸的扭曲区域会有些许扭曲，而扭曲的程度会有所降低，就像我们在石墨烯中看到的那样。”

他们发现，与具有更多扭曲变化的结构相比，具有较小扭曲变化范围的结构具有更奇特的物理特性，例如超导性。

“现在我们可以直接看到这些局部扭曲的变化，研究如何设计扭曲角的变化以在设备中实现不同的量子相位可能会很有趣，” Cao说。

可调物理学

在过去的两年中，研究人员对石墨烯和其他材料的不同配置进行了实验，以观察将它们以一定角度扭曲是否会带来奇特的物理行为。Jarillo-Herrero的小组想知道，如果魔术角石墨烯扩展结构以抵消两个石墨烯层而不是四个石墨烯层，那么神奇的角撑层石墨的物理结构是否会保持下去。

自从石墨烯在15年前被发现以来，已经揭示了有关其性质的大量信息，不仅是单张的，而且还可以多层堆叠和对齐—这种构造类似于您在石墨或铅笔中发现的构造带领。

Jarillo-Herrero说：“双层石墨烯-彼此成0度角的两层-是一个我们对其特性了解得很好的系统，”“理论计算表明，在双层顶层结构中，有趣的物理发生的角度范围更大。因此，就制造设备而言，这种类型的结构可能会更宽容。”

在一定程度上受到了这一理论可能性的启发，研究人员制造了一种新的魔角结构，将一个石墨烯双层与另一层双层偏置了1.1度。然后，他们将新的“双层”双绞线结构连接到电池，施加电压，并在将结构置于各种条件（例如磁场和垂直电场）下时测量流过该设备的电流。

就像由两层石墨烯制成的魔角结构一样，新的四层结构显示出奇特的绝缘性能。但是独特的是，研究人员能够通过电场上下调节这种绝缘性能，而这对于两层魔角石墨烯是不可能的。

曹说：“这个系统是高度可调的，这意味着我们拥有很多控制权，这将使我们能够研究单层魔角石墨烯无法理解的事物。”

Jarillo-Herrero说：“该领域还很早。”“目前，物理学界仍然只对它的现象着迷。人们幻想着我们可以制造什么类型的设备，但意识到这还为时过早，我们还需要对这些系统进行大量了解。”

这项研究部分由美国能源部，国家科学基金会，戈登和贝蒂·摩尔基金会以及萨戈尔·魏兹曼-麻省理工学院桥梁计划资助。

参考：

A. Uri，S。Grover，Y。Cao，JA Crosse，K。Bagani，D。Rodan-Legrain，Y。Myasoedov，K。Watanabe，“在魔术角石墨烯中映射扭曲角紊乱和Landau水平”， T.Taniguchi，P.Moon，M.Koshino，P.Jarillo-Herrero和E.Zeldov，2020年5月6日，自然。
10.1038 / s41586-020-2255-3

“曹操，丹尼尔·罗丹-列格兰，奥里奥尔·鲁比斯·比戈达，郑敏公园，渡边谦二，高谷谷口和巴勃罗·贾里洛·埃雷罗，“扭曲的双层-双层石墨烯中的可调谐相关态和自旋极化相”，2020年5月6日，自然.DOI：
10.1038 / s41586-020-2260-6