世界首臺能隨意扭轉二維材料的微型神機

就在幾年前，研究人員發現，改變兩層石墨烯（一種原子厚度的碳薄片）之間的角度，也會改變這種材料的電子和光學特性。然後他們發現，1.1 度的“扭轉”——被稱爲“神奇”角度——能夠使這種金屬材料轉變爲絕緣體或超導體，這一發現讓人們對通往新量子技術的可能途徑感到興奮。

爲了研究這一現象背後的物理學原理，“扭轉電子學”研究人員不得不生產數十到數百種不同配置的扭曲石墨烯結構——這是一個成本高昂且勞動密集型的過程。但由袁曹領導的一個研究小組，袁曹是 2018 年神奇角度的主要發現者，現擔任加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學的助理教授，該小組已經創造了一種能夠以無數種方式扭轉單個結構的裝置。

在發表於《自然》的一項研究中，研究人員展示了世界上第一臺可以隨意扭轉二維材料的微型機器。

這個指甲大小的片上平臺名爲 MEGA2D，它使用微機電系統（MEMS）對僅有幾納米厚的二維材料進行電壓控制操作，具備前所未有的靈活性和精度。

曹表示：“我們的工作拓展了現有技術在操控低維量子材料方面的能力。”

藉助超可調的 MEGA2D 技術，曹和他的團隊在由兩片六方氮化硼（石墨烯的近親）構成的單一結構裡展示出了多種奇特的性質。

另外，他們僅需少量樣本就能夠研究該結構的非線性光學性質並測量範德華力。

然而，有一個發現令研究人員感到驚訝。他們留意到當通過 MEGA2D 扭轉六方氮化硼時，其非線性光學性質出現了“漩渦”。

“這些漩渦類似於‘半斯格明子’——一種在某些磁性材料中被發現的拓撲準粒子，但其從未在非線性光學系統中被予以考慮。”

“這些非線性光學特性此前從未被探討過，要是沒有 MEGA2D 主動調諧平臺，也根本不可能被發現。”

據研究人員所說，MEGA2D 平臺除了在扭曲電子學領域之外，還有若干潛在的應用，其中包括用作經典或者標準燈泡以及量子版本的可調光源。

後者屬於特殊的光源，藉助非線性光學把藍光轉換爲紅光，對於使用光子的量子計算非常有用。

“傳統上，這些量子光源的偏振是固定的，也就是光波在空間中振盪的方式，”唐說道。

“通過我們的 MEGA2D 設備，光源能輸出具有可調偏振的光束，而且調諧範圍十分寬廣。其中一個亮點在於，它能夠直接產生所謂的圓偏振光，即那種以旋轉方式振盪並攜帶角動量的光。”

“當下，該團隊覺得 MEGA2D 技術的真正力量體現在基礎研究方面。曹指出，人類在某些方面依舊受到我們對於自然所能看到和理解的事物的限制。”

“藉助我們的 MEGA2D 技術所帶來的這個新‘旋鈕’，我們設想，扭曲石墨烯和其他範德華材料中的許多潛在難題能夠被輕易解決，”曹說。“這肯定也會在這個過程中帶來其他新的發現。”