世界首台能随意扭转二维材料的微型神机

就在几年前，研究人员发现，改变两层石墨烯（一种原子厚度的碳薄片）之间的角度，也会改变这种材料的电子和光学特性。然后他们发现，1.1 度的“扭转”——被称为“神奇”角度——能够使这种金属材料转变为绝缘体或超导体，这一发现让人们对通往新量子技术的可能途径感到兴奋。

为了研究这一现象背后的物理学原理，“扭转电子学”研究人员不得不生产数十到数百种不同配置的扭曲石墨烯结构——这是一个成本高昂且劳动密集型的过程。但由袁曹领导的一个研究小组，袁曹是 2018 年神奇角度的主要发现者，现担任加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学的助理教授，该小组已经创造了一种能够以无数种方式扭转单个结构的装置。

在发表于《自然》的一项研究中，研究人员展示了世界上第一台可以随意扭转二维材料的微型机器。

这个指甲大小的片上平台名为 MEGA2D，它使用微机电系统（MEMS）对仅有几纳米厚的二维材料进行电压控制操作，具备前所未有的灵活性和精度。

曹表示：“我们的工作拓展了现有技术在操控低维量子材料方面的能力。”

借助超可调的 MEGA2D 技术，曹和他的团队在由两片六方氮化硼（石墨烯的近亲）构成的单一结构里展示出了多种奇特的性质。

另外，他们仅需少量样本就能够研究该结构的非线性光学性质并测量范德华力。

然而，有一个发现令研究人员感到惊讶。他们留意到当通过 MEGA2D 扭转六方氮化硼时，其非线性光学性质出现了“漩涡”。

“这些漩涡类似于‘半斯格明子’——一种在某些磁性材料中被发现的拓扑准粒子，但其从未在非线性光学系统中被予以考虑。”

“这些非线性光学特性此前从未被探讨过，要是没有 MEGA2D 主动调谐平台，也根本不可能被发现。”

据研究人员所说，MEGA2D 平台除了在扭曲电子学领域之外，还有若干潜在的应用，其中包括用作经典或者标准灯泡以及量子版本的可调光源。

后者属于特殊的光源，借助非线性光学把蓝光转换为红光，对于使用光子的量子计算非常有用。

“传统上，这些量子光源的偏振是固定的，也就是光波在空间中振荡的方式，”唐说道。

“通过我们的 MEGA2D 设备，光源能输出具有可调偏振的光束，而且调谐范围十分宽广。其中一个亮点在于，它能够直接产生所谓的圆偏振光，即那种以旋转方式振荡并携带角动量的光。”

“当下，该团队觉得 MEGA2D 技术的真正力量体现在基础研究方面。曹指出，人类在某些方面依旧受到我们对于自然所能看到和理解的事物的限制。”

“借助我们的 MEGA2D 技术所带来的这个新‘旋钮’，我们设想，扭曲石墨烯和其他范德华材料中的许多潜在难题能够被轻易解决，”曹说。“这肯定也会在这个过程中带来其他新的发现。”