神奇新設備，讓二維材料操作在電子學中簡化

六年前的一項發現震撼了凝聚態物理學界：超薄碳以兩層略微傾斜的方式堆疊成爲超導體，並且改變層間的扭轉角度可以切換其電學性質。描述“魔角石墨烯超晶格”的具有里程碑意義的 2018 年論文 開創了一個名爲“扭轉電子學”的新領域，第一作者是當時的麻省理工學院研究生、近期的哈佛初級研究員袁曹。

袁曹與哈佛物理學家阿米爾·亞科比、埃裡克·馬祖爾等人一道，基於此項基礎工作，憑藉發明一種更簡便的扭轉和研究多種材料的方式，爲更多的扭轉電子學研究鋪平了道路。

發表於 《自然》 的一篇新 論文 介紹了該團隊指甲大小的機器，能夠隨意扭轉薄材料，替代了逐個製造扭轉裝置的需求。

“這一進展使扭轉變得像控制二維材料的電子密度一樣容易，”哈佛物理學和應用物理學教授亞科比說。“控制密度一直是在低維物質中發現新物質相的主要手段，現在，我們可以同時控制密度和扭轉角度，爲發現開闢了無限的可能性。”

曹最初在麻省理工學院 Pablo Jarillo-Herrero 的實驗室裡作爲研究生製造出了扭曲雙層石墨烯。儘管這一成就令人興奮，但實際扭轉的複製面臨諸多挑戰，這在一定程度上削弱了這一成就的影響力。

曹解釋說，當時，每個扭曲裝置的製造都非常困難，不僅獨特，還很耗時。要用這些裝置進行科學研究，他們需要幾十個甚至幾百個。曹說，他們想知道是否能製造出“一個能扭轉所有的裝置”——一種能夠隨意扭轉兩層材料的微型機器，這樣就消除了對數百個獨特樣本的需求。他們將他們的新裝置稱爲基於 MEMS（微機電系統）的二維材料通用驅動平臺，簡稱 MEGA2D。

Yacoby 和 Mazur 實驗室合作設計了這個新工具包，其可推廣應用於石墨烯和其他材料。

“藉助我們的 MEGA2D 技術所帶來的這個新‘旋鈕’，我們設想扭曲石墨烯及其他材料中的諸多潛在難題能夠輕鬆得以解決，”曹說，他現在是加州大學伯克利分校的助理教授。“這肯定也會在此過程中帶來其他新發現。”

在論文中，研究人員通過兩片六方氮化硼（石墨烯的近親）展示了其設備的效用。他們能夠研究雙層設備的光學特性，找到了具有令人嚮往的拓撲特性的準粒子的證據。

他們新系統的簡便性爲科學開闢了幾條道路，例如，利用六方氮化硼扭曲電子學來產生可用於低損耗光通信的光源。

“我們希望我們的方法能被這個活躍領域的許多其他研究人員採用，所有人都能從這些新能力中受益，”曹說。

該論文的第一作者是納米科學和光學專家唐浩寧，她是馬祖爾實驗室的博士後研究員，也是哈佛量子計劃的成員。她表示，開發 MEGA2D 技術是一個漫長的反覆試驗的過程。

“我們不太瞭解如何實時控制二維材料的界面，現有的方法根本不管用，”她說。“在潔淨室裡花費了無數個小時並改進微機電系統設計——儘管有許多次失敗的嘗試——我們在大約一年的實驗後終於找到了有效的解決方案。”唐補充說，所有的納米制造都在哈佛的納米級系統中心進行，那裡的工作人員提供了寶貴的技術支持。

“將 MEMS 技術與雙層結構相結合來製造器件的納米工藝堪稱真正的絕技”，物理學與應用物理學領域的巴爾坎斯基教授馬祖爾說道。“能夠對所得器件的非線性響應進行調整，這爲光學和光子學領域的全新一類器件敞開了大門。”