世界上第一台微型机器可随意扭曲二维材料

就在几年前，研究人员发现，改变两层石墨烯(一层厚度为原子的碳片)之间的角度，也会改变这种材料的电子和光学特性。随后他们了解到，1.1度的“扭曲”(被称为“魔角”)可以将这种金属材料转变为绝缘体或超导体，这一发现激发了人们对新量子技术可能途径的兴奋。

为了研究这一现象背后的物理原理，“扭转电子学”研究人员必须生产出数十到数百种不同配置的扭转石墨烯结构——这是一个成本高昂且劳动密集型的过程。但由曹原(2018年魔角的主要发现者，现为加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学助理教授)领导的研究小组发明了一种可以以无数种方式扭转单个结构的装置。

在《自然》杂志发表的一项研究中，研究人员展示了世界上第一台可以随意扭曲二维材料的微型机器。

这个指甲大小的片上平台名为MEGA2D，采用微机电系统(MEMS)对厚度仅为纳米的2D材料进行电压控制操作，具有前所未有的灵活性和精度。

曹说：“我们的工作拓展了现有技术在操纵低维量子材料方面的能力。它还为新型混合二维和三维结构铺平了道路，对凝聚态物理、量子光学和相关领域具有重要意义。”

单一结构，多种配置

曹和他的团队利用超可调MEGA2D技术，在由两片六方氮化硼(石墨烯的近亲)制成的单个结构中展示了多种奇特的特性。此外，他们仅需少量样品即可研究该结构的非线性光学特性并测量范德华力。

然而，有一个发现让研究人员感到惊讶。他们注意到，当六方氮化硼被MEGA2D扭曲时，其非线性光学特性中出现了“漩涡”。

“这些漩涡类似于‘半斯格明子’——一种在某些磁性材料中发现的拓扑准粒子，但从未在非线性光学系统中出现过，”该论文的第一作者、哈佛大学博士后唐浩宁说。

“这些非线性光学特性以前没有被讨论过，如果没有主动调谐平台MEGA2D就不会发现。”

MEGA2D，一种用于扭转2D材料的片上MEMS平台。图片来源：《自然》(2024年)。DOI：10.1038/s41586-024-07826-x

扭转和调整

据研究人员介绍，MEGA2D平台除了双电子学之外还有多种潜在应用，包括用作经典或标准灯泡以及量子灯泡的可调光源。后者是使用非线性光学将蓝光转换为红光的特殊光源，可用于使用光子的量子计算。

唐说：“传统上，这些量子光源具有固定的偏振，即光波在空间中振动的方式。”

“使用我们的MEGA2D设备，光源输出具有可调偏振的光束，并且可调范围非常广。一个亮点是它可以直接产生所谓的圆偏振光，即以旋转方式振荡并带有角动量的光。”

目前，该团队认为MEGA2D技术的真正力量在于基础研究。曹指出，人类在某些方面仍然受到我们对自然的观察和理解的限制。

曹说：“通过我们的MEGA2D技术获得这种新‘旋钮’，我们预计扭曲石墨烯和其他范德华材料中的许多潜在难题都可以轻松解决。”“它肯定还会带来其他新发现。”

曹建军表示，坚持不懈和通力合作是MEGA2D技术成功开发的关键。汤先生因设计MEGA平台和实现使用MEMS技术实时控制2D界面的愿景而功不可没。

曹说：“这确实是一个团队合作，它在很大程度上得益于物理学、工程学的混合专业知识——以及大量的修补和乐趣。”