插图描绘了NIST团队在实验中使用的两层石墨烯(两层双层)，以研究摩尔量子材料的一些奇异特性。左图提供了两个双层结构部分的顶层视图，显示了当一个双层结构相对于另一个以小角度扭曲时形成的波纹模式。图片来源:B. Hayes/NIST
研究扭曲石墨烯层的NIST研究人员公布了一种“量子尺子”，用于研究这种材料的独特性质。
被称为石墨烯的单原子厚度的碳片本身就具有非凡的性能。然而，当你堆叠多张二维材料时，事情会变得更加有趣。当两片或更多的石墨烯薄片重叠在一起时，它们就会出现轻微的错位——相互之间以一定的角度扭曲——它们就会呈现出过多的奇异特性。
根据扭曲角度的不同，这些被称为摩尔量子物质的材料可以突然产生自己的磁场，变成零电阻的超导体，或者相反，变成完美的绝缘体。
测量石墨烯奥秘的量子尺子
美国国家标准与技术研究院(NIST)的Joseph a . Stroscio和他的同事们，以及一个国际合作团队，已经开发出一种“量子尺子”来测量和探索这些扭曲材料的奇怪特性。这项工作还可能产生一种新的、小型化的电阻标准，可以直接在工厂车间校准电子设备，而无需将它们送到异地标准实验室。
合作者Fereshte Ghahari是来自弗吉尼亚州费尔法克斯市乔治梅森大学的物理学家，他采用了两层直径约20微米的石墨烯(称为双层石墨烯)，并将它们相对于另外两层进行扭曲，从而制造出了一个涡流量子物质装置。Ghahari利用NIST纳米科学与技术中心的纳米制造设备制造了这个设备。
NIST的研究人员Marlou Slot和Yulia Maximenko随后将这种扭曲的材料装置冷却到绝对零度以上的百分之一度，减少了原子和电子的随机运动，提高了材料中电子相互作用的能力。在达到超低温后，他们研究了当他们改变强外部磁场的强度时，石墨烯层中电子的能级是如何变化的。测量和操纵电子的能级对于设计和制造半导体器件至关重要。
这是云纹中一个地点的放大图;量子材料描绘了电子的阶梯状能级(右边的红蓝点)。梯子的背景类似于方格纸的能量，表明测量的能级可以作为一种量子尺子来确定材料的电学和磁学性质。信贷:NIST / B。海斯
电子运动和能级
为了测量能级，研究小组使用了Stroscio在NIST设计和制造的多功能扫描隧道显微镜。当研究人员在磁场中对石墨烯双层层施加电压时，显微镜记录了从材料“隧穿”到显微镜探针尖端的电子产生的微小电流。
在磁场中，电子沿圆周运动。通常，固体材料中电子的圆形轨道与外加磁场有特殊的关系:由于电子的量子性质，每个圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场，只能取一组固定的离散值。为了保持这个固定的乘积，如果磁场减半，那么绕轨道运行的电子所包围的面积必须翻倍。
遵循这种模式的连续能级之间的能量差可以像尺子上的刻度一样用来测量材料的电子和磁性能。这种模式的任何细微偏差都将代表一种新的量子标尺，它可以反映研究人员正在研究的特定量子莫尔材料的轨道磁性。
发现与启示
事实上，当NIST的研究人员改变施加在涡流石墨烯双层上的磁场时，他们发现了一种新的量子尺子在起作用的证据。电子的圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场不再等于一个固定的值。相反，这两个数的乘积的偏移量取决于双层的磁化强度。
这种偏差转化为电子能级的一组不同的刻度。这一发现有望揭示束缚在扭曲的石墨烯薄片上的电子是如何产生新的磁性的。
Stroscio说:“使用新的量子尺子来研究圆形轨道如何随磁场变化，我们希望揭示这些摩尔量子材料的微妙磁性。”
量子云纹中的电子;材料被形状像蛋盒的电势捕获;电子集中在纸箱的谷(较低的能态)。来源:S. Kelley/NIST
在摩尔量子材料中，电子有一系列可能的能量——高和低，形状像一个鸡蛋盒——这是由材料的电场决定的。电子集中在较低的能态，或纸箱的谷中。NIST的理论物理学家Paul Haney说，双层中山谷之间的大间距，比任何单层石墨烯或多层未扭曲的石墨烯中的原子间距都要大，这解释了该团队发现的一些不寻常的磁性。
研究人员，包括马里兰大学帕克分校和联合量子研究所的同事，NIST和马里兰大学的研究合作伙伴，在《科学》杂志上描述了他们的工作。
未来展望与应用
由于可以通过选择特定的扭曲角度和原子薄层的数量来选择莫尔
NIST团队还对另一种应用感兴趣:在适当的条件下，摩尔量子物质可能提供一种新的、更容易使用的电阻标准。
目前的标准是基于在二维层中，当强磁场作用于电子时，材料所产生的离散电阻值。这种现象被称为量子霍尔效应，起源于上面讨论的圆形轨道中电子的相同量子化能级。离散电阻值可用于校准各种电气设备的电阻。然而，由于需要强大的磁场，校准只能在NIST这样的计量设施中进行。
Stroscio说，如果研究人员能够操纵量子莫尔物质，使其即使在没有外部外加磁场的情况下也具有净磁化强度，那么它就有可能被用来创造一种新的便携式版本的最精确的电阻标准，即异常量子霍尔电阻标准。电子设备的校准可以在生产现场进行，这可能节省数百万美元。
参考文献:“moir
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