扭曲：使用弯曲表面制作2D量子材料

这种显微镜扭曲螺旋 - 表现出有趣的可调性超导性能 - 通过在稍微沿着下面的纳米颗粒上逐渐弯曲的基板上沉积二维材料沉积二维材料的“生长”。

威斯康星大学 - 麦迪逊大学的科学家发现了一种控制扭曲的生长，微观螺旋材料的厚度厚。

由UW-Madison Chemistry教授宋锦教授由UW-Madison Chemistry教授建造的二维材料的连续扭曲叠加，这是科学家可以利用纳米级研究量子物理学的新物业。研究人员今天（2020年10月23日）在学报上发表了他们的工作。

“这是2D材料研究的当前前沿。在过去的几年里，科学家已经意识到，当你在原子层之间进行小扭曲时 - 通常是几度 - 你创造了非常有趣的物理性质，例如非常规的超导。例如，扭曲材料在低温下完全失去其电阻，“Jin说。“研究人员认为这两个量子材料，并致电此类工作'扭曲。”“

玉州赵立研究生和第一个研究的作者表示，制造扭曲二维结构的标准做法一直在彼此顶部机械地堆叠两张薄材料，并用手仔细控制它们之间的扭转角度。但是当研究人员直接生长这些2D材料时，它们无法控制扭转角，因为层之间的相互作用非常弱。

“想象一下一堆不断扭曲的扑克牌。如果你有灵活的手指，你可以扭曲卡片，但我们的挑战是如何让原子层以可控的方式扭曲纳米级，“金说。

Jin的团队发现了如何通过思考欧几里德几何形状的平坦空间来控制这些扭曲的纳米级结构的增长。

欧几里德几何形式形成了我们熟悉的世界的数学基础。它让我们思考平面平面，直线和直角的世界。相反，非欧几里德几何形状描述了弯曲空间，其中线弯曲，方形中的角度的总和不是360度。解释时空连续性的科学理论，如爱因斯坦的一般相对论，使用非欧几里德几何形状作为基岩。吉恩说，思想欧几里德几何形状以外的水晶结构，打开了有趣的新可能性。

赵和金通过利用一种缺乏晶体的缺陷而创造了扭曲的螺旋，称为螺丝脱位。Jin研究了这种脱位驱动的晶体增长多年，并用它来解释，例如，纳米线树的生长。在2D材料中，位错提供了对结构的以下层的升压，因为它像螺旋一样螺旋，其在连接的堆叠中具有所有层，对准每层的方向。

然后，为了生长非欧几里德螺旋结构并使螺旋扭曲，金的团队改变了他们的螺旋从中涌现的基础。Zhao位于螺旋中心下，Zhao放置了纳米粒子，而不是在平面上生长晶体。在生长过程中，颗粒破坏平坦表面并为2D晶体产生弯曲的基础以生长。

球队发现的是，代替每个层的边缘与前一层平行的对齐螺旋，而2D晶体形成连续扭曲的多层螺旋，其扭曲地从一层到下一个层。中间层扭曲的角度来自平面（欧几里德）2D晶体之间的错配和它们生长的弯曲（非Euclidean）表面。

赵呼吁螺旋结构直接在纳米粒子上生长的图案，从而产生锥形基座，“紧固螺旋”。当结构在一个偏心纳米粒子上生长时，就像一座内在山坡上的房子一样，这是一个“松开螺旋”图案。赵开发了一种简单的数学模型，以预测螺旋的扭曲角度，基于弯曲表面的几何形状，以及他的模型螺旋形状与生长的结构相匹配。

初步发现后，UW-Madison材料科学和工程教授保罗盗贼和他的学生陈宇张在电子显微镜下进行了螺旋，以确认原子在这些扭曲的螺旋中的对准。他们的图像显示相邻的扭曲层中的原子形成了一种称为Moiré图案的预期重叠干扰图案，这也使其光泽和波纹的精细层状丝绸衣服。Emeritus化学教授John Wright及其实验室进行了初步研究，表明扭转螺旋的异常光学性质的潜力。

研究人员使用过渡金属二甲硅藻剂作为扭转螺旋的层，但概念不依赖于特定材料，只要它们是2D材料。

“我们现在可以遵循源于数学的理性模型，在每层之间使用可控的扭曲角度创建一堆这些2D层，它们是连续的，”赵说。

扭转2D材料的直接合成将在这2D“Twistronic”材料中的新型量子物理学研究，这是金和他的合作者正在追求的追求。

“当你看到一切都与一个简单的数学模型完全匹配时，你想，'哇，这真的很努力，”那种快乐就是为什么我们在研究中努力 - “eureka”你意识到你现在正在学习在之前，没有人已经理解的东西，“金说。

参考：“由非欧几里德表面增长的层叠材料的超级斗争螺旋”由玉州赵，陈宇张，丹尼尔D。科勒，Jason M. Scheeler，John C. Wright，Paul M. Voyles和Song Jin，2012年10月23日，2012年10月23日.doi：
10.1126 / science.abc4284

这项工作得到了能源部（授予DE-FG02-09ER46664和E-FG02-08ER46547）的支持。