神奇新设备，让二维材料操作在电子学中简化

六年前的一项发现震撼了凝聚态物理学界：超薄碳以两层略微倾斜的方式堆叠成为超导体，并且改变层间的扭转角度可以切换其电学性质。描述“魔角石墨烯超晶格”的具有里程碑意义的 2018 年论文 开创了一个名为“扭转电子学”的新领域，第一作者是当时的麻省理工学院研究生、近期的哈佛初级研究员袁曹。

袁曹与哈佛物理学家阿米尔·亚科比、埃里克·马祖尔等人一道，基于此项基础工作，凭借发明一种更简便的扭转和研究多种材料的方式，为更多的扭转电子学研究铺平了道路。

发表于 《自然》 的一篇新 论文 介绍了该团队指甲大小的机器，能够随意扭转薄材料，替代了逐个制造扭转装置的需求。

“这一进展使扭转变得像控制二维材料的电子密度一样容易，”哈佛物理学和应用物理学教授亚科比说。“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转角度，为发现开辟了无限的可能性。”

曹最初在麻省理工学院 Pablo Jarillo-Herrero 的实验室里作为研究生制造出了扭曲双层石墨烯。尽管这一成就令人兴奋，但实际扭转的复制面临诸多挑战，这在一定程度上削弱了这一成就的影响力。

曹解释说，当时，每个扭曲装置的制造都非常困难，不仅独特，还很耗时。要用这些装置进行科学研究，他们需要几十个甚至几百个。曹说，他们想知道是否能制造出“一个能扭转所有的装置”——一种能够随意扭转两层材料的微型机器，这样就消除了对数百个独特样本的需求。他们将他们的新装置称为基于 MEMS（微机电系统）的二维材料通用驱动平台，简称 MEGA2D。

Yacoby 和 Mazur 实验室合作设计了这个新工具包，其可推广应用于石墨烯和其他材料。

“借助我们的 MEGA2D 技术所带来的这个新‘旋钮’，我们设想扭曲石墨烯及其他材料中的诸多潜在难题能够轻松得以解决，”曹说，他现在是加州大学伯克利分校的助理教授。“这肯定也会在此过程中带来其他新发现。”

在论文中，研究人员通过两片六方氮化硼（石墨烯的近亲）展示了其设备的效用。他们能够研究双层设备的光学特性，找到了具有令人向往的拓扑特性的准粒子的证据。

他们新系统的简便性为科学开辟了几条道路，例如，利用六方氮化硼扭曲电子学来产生可用于低损耗光通信的光源。

“我们希望我们的方法能被这个活跃领域的许多其他研究人员采用，所有人都能从这些新能力中受益，”曹说。

该论文的第一作者是纳米科学和光学专家唐浩宁，她是马祖尔实验室的博士后研究员，也是哈佛量子计划的成员。她表示，开发 MEGA2D 技术是一个漫长的反复试验的过程。

“我们不太了解如何实时控制二维材料的界面，现有的方法根本不管用，”她说。“在洁净室里花费了无数个小时并改进微机电系统设计——尽管有许多次失败的尝试——我们在大约一年的实验后终于找到了有效的解决方案。”唐补充说，所有的纳米制造都在哈佛的纳米级系统中心进行，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来制造器件的纳米工艺堪称真正的绝技”，物理学与应用物理学领域的巴尔坎斯基教授马祖尔说道。“能够对所得器件的非线性响应进行调整，这为光学和光子学领域的全新一类器件敞开了大门。”