新设备简化了用于旋转电子学的二维材料的操作

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六年前的一项发现席卷了凝聚态物理学界：堆叠成两个略微倾斜层的超薄碳变成了超导体，改变层之间的扭转角度可以改变其电性能。2018年具有里程碑意义的论文描述了“魔角石墨烯超晶格”，开创了一个名为“扭转电子学”的新领域，第一作者是当时麻省理工学院的研究生、最近成为哈佛大学初级研究员的曹远。
曹及其同事与哈佛大学物理学家阿米尔·雅科比 (Amir Yacoby)、埃里克·马祖尔 (Eric Mazur) 等人一起，在这一基础工作的基础上，发明了一种更简便的方法来扭曲和研究多种类型的材料，为更多的旋转电子学科学铺平了道路。
《自然》杂志上的一篇新论文介绍了该团队的指甲盖大小的机器，它可以随意扭曲薄材料，从而取代逐个制造扭曲设备的需要。具有易于研究和操作特性的薄型二维材料对高性能晶体管、太阳能电池等光学设备以及量子计算机等具有重大意义。
哈佛大学物理学和应用物理学教授雅科比表示： “这一进展使得扭曲变得像控制二维材料的电子密度一样简单。控制密度一直是在低维物质中发现新物质相的主要手段，现在，我们可以同时控制密度和扭曲角度，为发现开辟了无限的可能性。”
曹首次制作出扭曲双层石墨烯是在麻省理工学院 Pablo Jarillo-Herrero 实验室读研究生的时候。虽然这令人兴奋，但复制实际扭曲的过程却带来了挑战。
当时，每个扭曲装置都很难生产，因此，它们都是独一无二的，而且耗时很长，曹解释说。要用这些装置进行科学研究，他们需要数十甚至数百个。曹说，他们想知道是否可以制造“一个装置来扭曲它们”，即一种可以随意扭曲两层材料的微型机器，从而无需数百个独特的样品。他们将他们的新设备称为基于 MEMS（微机电系统）的 2D 材料通用驱动平台，简称 MEGA2D。
Yacoby 和 Mazur 实验室合作设计了这个新工具包，该工具包可推广到石墨烯和其他材料。
“通过我们的 MEGA2D 技术获得这种新‘旋钮’，我们设想扭曲石墨烯和其他材料中的许多潜在难题都可以轻松解决，”曹说，他现在是加州大学伯克利分校的助理教授。“它肯定还会带来其他新发现。”
在论文中，研究人员利用两片六方氮化硼（石墨烯的近亲）展示了该装置的实用性。他们能够研究双层装置的光学特性，找到具有令人垂涎的拓扑特性的准粒子的证据。
他们的新系统的简便性开辟了几条科学道路，例如采用六方氮化硼双电子学来生产可用于低损耗光通信的光源。
曹说：“我们希望我们的方法能够被这个繁荣领域的许多其他研究人员采用，并且所有人都可以从这些新功能中受益。”
该论文的第一作者是纳米科学和光学专家 Haoning Tang，他是 Mazur 实验室的博士后研究员和哈佛量子计划研究员，他指出开发 MEGA2D 技术是一个长期的反复试验的过程。
“我们不太了解如何实时控制 2D 材料的界面，现有的方法根本行不通，”她说。“在洁净室里花了无数个小时改进 MEMS 设计后——尽管尝试了很多次都失败了——我们终于在大约一年的实验后找到了可行的解决方案。”唐补充说，所有的纳米加工都在哈佛大学纳米系统中心进行，那里的工作人员提供了宝贵的技术支持。
“将 MEMS 技术与双层结构相结合的纳米制造设备是一项真正的杰作，”巴尔干斯基物理学和应用物理学教授马祖尔说。“能够调整最终设备的非线性响应为光学和光子学领域全新类型的设备打开了大门。”