电子在扭曲的2D材料实验中集体行为

堆叠和旋转两层双层石墨烯时出现的莫尔图案的插图。具有磁性排序的相关电子态会在较小的扭曲角范围内出现在扭曲的双层双层石墨烯中，并且可以通过选通和电场进行调谐。

科学家可以有一个宏伟的目标：治愈疾病，探索遥远的世界，清洁能源革命。在物理和材料研究中，其中一些雄心勃勃的目标是使具有普通特性的普通声音物体：可以传输功率而不会损失任何能量的电线，或者可以执行当今计算机无法实现的复杂计算的量子计算机。逐步将我们推向这些目标的实验的新兴工作台是2D材料，即单原子厚的材料片。

在2020年9月发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中，由华盛顿大学领导的一个团队报告说，精心构造的石墨烯堆栈（一种2D形式的碳）可以表现出高度相关的电子特性。研究小组还发现了证据，表明这种集体行为可能与外来磁态的出现有关。

“我们已经创建了一个实验装置，使我们能够以许多激动人心的新方式来操纵石墨烯层中的电子，”联合大学的资深作者，西澳大学物理学以及材料科学与工程学助理教授马修·扬科维茨（Matthew Yankowitz）说。作为超净清洁能源研究所的教职研究员。

扬科维兹（Yankowitz）领导了该团队，其中包括联合大学的物理学，材料科学和工程学教授徐晓东。Xu还是威斯康星大学分子工程和科学研究所，威斯康星大学纳米工程系统研究所和清洁能源研究所的教职研究员。

扭曲的双层双层石墨烯器件的光学显微镜图像。

由于2D材料是一层原子厚的原子，因此原子之间的键仅以二维形式形成，并且像电子这样的粒子只能像棋盘游戏中的碎片那样运动：左右，前后或对角线，但不向上或向下移动。向下。这些限制可能会使2D材料具有3D同行所缺乏的特性，并且科学家一直在探索不同材料的2D图纸以表征和理解这些潜在有用的质量。

但是在过去的十年中，像Yankowitz这样的科学家也已经开始对2D材料进行分层（例如一叠煎饼），并且发现，如果以特定的结构堆叠和旋转并暴露在极低的温度下，这些层可能会表现出异乎寻常且出乎意料的特性。

威斯康星大学团队研究了双层石墨烯的构建基块：两层石墨烯自然地层叠在一起。他们将一个双层叠放在另一个顶部上（总共四个石墨烯层），然后将它们扭曲，以使两个双层之间的碳原子布局略微不对齐。过去的研究表明，在石墨烯的单层或双层之间引入这些小的扭转角可能会对电子的行为产生重大影响。通过特定的电场结构和跨堆叠双层的电荷分布，电子显示出高度相关的行为。换句话说，它们都同时开始做相同的事情-或显示相同的属性。

Yankowitz说：“在这些情况下，描述单个电子正在做什么，而描述所有电子一次正在做什么不再有意义。”

第一作者，华盛顿大学物理学博士，曾任清洁能源研究所研究员的何敏浩说：“就像一个人满为患的房间，任何人的行为发生变化都会导致其他人也做出类似的反应。”

量子力学是这些相关属性的基础，并且由于堆叠的石墨烯双层的密度超过1012或1万亿个电子/平方厘米，因此许多电子共同表现出来。

该小组试图在他们的实验装置中解开相关状态的一些奥秘。在仅比绝对零值高出几度的温度下，研究小组发现他们可以将系统“调节”为一种相关的绝缘状态，即不带电。在这些绝缘状态附近，研究小组发现了一些具有类似于超导特性的高导电状态。

尽管其他团队最近报告了这些状态，但是这些功能的起源仍然是个谜。但是，西澳大学团队的工作已经找到了可能的解释的证据。他们发现，这些状态似乎是由称为“自旋”（一种角动量）的电子的量子力学特性驱动的。在相关的绝缘态附近的区域中，他们发现所有电子自发自发对准的证据。这可能表明，在显示相关绝缘状态的区域附近，出现了一种铁磁形式-不是超导性。但是，还需要进行其他实验来验证这一点。

这些发现是使用2D材料进行实验时，许多惊喜中最新的例子。

“我们在这一研究领域中所做的大部分工作都是试图创建，理解和控制新兴的电子态，这些电子态既可以是相关的，也可以是拓扑的，或者同时具有这两种特性，” Xu说。“对于这些状态，我们可能会做很多事情，例如，一种量子计算形式，一种新的能量收集设备或某些新型的传感器。坦率地说，直到我们尝试，我们才知道。 ”

同时，期望堆叠，双层和扭曲角度继续产生波浪。

参考：何敏豪，李玉豪，蔡佳琪，刘扬，渡边健，谷口T.谷口，徐晓东和马修·扬科维茨的“对称双螺旋石墨烯的对称断裂”，2020年9月14日，自然物理学。DOI：
10.1038 / s41567-020-1030-6

合著者是威斯康星大学的研究人员李宇浩和刘洋；威斯康星大学物理学博士生和清洁能源研究所研究员蔡家琪；日本国立材料科学研究所的K. Watanabe和T. Taniguchi。这项研究是由美国威斯康星大学分子工程材料中心（国家科学基金会材料研究科学和工程中心）资助的；中国奖学金理事会；日本教育，文化，体育，科学和技术省；和日本科学技术厅。