摘要：麻省理工学院的物理学家们发明了一种新型超薄二维材料，它具有不同寻常的磁性，最初令他们感到惊讶，后来他们才解开了这些磁性背后的复杂谜团。因此，这项研究为研究材料在最基本的层面——量子物理世界——的行为方式提供了一个新平台。自从大约 20 年前发现第一种由碳构成的
麻省理工学院的物理学家们发明了一种新型超薄二维材料，它具有不同寻常的磁性，最初令他们感到惊讶，后来他们才解开了这些磁性背后的复杂谜团。因此，这项研究为研究材料在最基本的层面——量子物理世界——的行为方式提供了一个新平台。自从大约 20 年前发现第一种由碳构成的单层原子超薄材料——石墨烯以来，这种材料就吸引了科学家的注意力。此后，研究人员发现，将单层二维材料堆叠在一起，有时以微小的角度相互扭转，可以赋予它们新的特性，从超导性到磁性。进入扭转电子学领域，这是麻省理工学院塞西尔和艾达格林物理学教授 Pablo Jarillo-Herrero 在麻省理工学院开创的。
在这项研究中，科学家们在 Jarillo-Herrero 的带领下研究了三层石墨烯，该研究发表在1 月 7 日的《自然物理学》杂志上。每层都以相同的角度扭曲在下一层之上，形成了一种类似于 DNA 螺旋或三张散开的牌的螺旋结构。
“螺旋性是科学中的一个基本概念，从基础物理学到化学和分子生物学。利用二维材料，人们可以创建特殊的螺旋结构，具有我们才刚刚开始了解的新特性。这项工作代表了旋转电子学领域的新转折，社区非常兴奋地看到我们还能利用这个螺旋材料平台发现什么，”同样隶属于麻省理工学院材料研究实验室的 Jarillo-Herrero 说。
扭转双电子学可以为超薄材料带来新特性，因为以这种方式排列二维材料片会产生一种称为莫尔晶格的独特图案。而莫尔晶格又会对电子的行为产生影响。“它改变了电子的能级光谱，并为有趣的现象的产生提供了条件，”塞尔吉奥·C·德拉巴雷拉 (Sergio C. de la Barrera) 说道，他是最近这篇论文的三位共同第一作者之一。德拉巴雷拉在麻省理工学院担任博士后研究员期间开展了这项研究，目前是多伦多大学的助理教授。
在这项研究中，三层石墨烯形成的螺旋结构形成了两个莫尔晶格。一个是由前两层重叠的石墨烯片形成的；另一个是由第二层和第三层石墨烯片之间形成的。麻省理工学院物理学研究生、论文三位共同第一作者之一夏立桥说，这两个莫尔条纹一起形成了第三个莫尔条纹，即超莫尔条纹，或“莫尔条纹的莫尔条纹”。“这就像一个莫尔条纹层级。”前两个莫尔条纹的尺度只有纳米，即十亿分之一米，而超级莫尔条纹的尺度则达到数百纳米，叠加在另外两个莫尔条纹之上。只有缩小图像才能看到超级莫尔条纹，从而获得更宽广的系统视野。
一个大惊喜物理学家们原本希望观察到这种莫尔条纹的特征。然而，当他们施加并改变磁场时，他们大吃一惊。系统对磁性的实验特征作出了反应，这种磁性是由电子运动产生的。事实上，这种轨道磁性一直持续到 -263 °C——这是迄今为止碳基材料中报道的最高温度。但这种磁性只能在缺乏特定对称性的系统中发生，而该团队的新材料应该具有这种对称性。“所以我们看到这一现象非常令人费解。我们真的不明白发生了什么，”麻省理工学院帕帕拉多物理学博士后研究员、新论文的第三位共同第一作者阿维拉姆·乌里 (Aviram Uri) 说。
该论文的其他作者包括麻省理工学院物理学教授梁付；桑迪亚国家实验室的 Aaron Sharpe；普林斯顿大学的 Yves H. Kwan；斯坦福大学的 Ziyan Zhu、David Goldhaber-Gordon 和 Trithep Devakul；以及日本国立材料科学研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。发生了什么事？事实证明，新系统确实打破了对称性，从而阻止了团队观察到的轨道磁性，但方式非常不寻常。“发生的事情是，这个系统中的原子不太舒服，所以它们以一种微妙的协调方式移动，我们称之为晶格松弛，”夏说。而这种松弛形成的新结构确实在莫尔长度尺度上局部打破了对称性。这为团队观察到的轨道磁性提供了可能性。然而，如果你缩小以超莫尔尺度观察系统，对称性就会恢复。德拉巴雷拉说：“事实证明，莫尔条纹的层次支持了不同长度尺度上的有趣现象。”Uri 总结道：“当你解开一个谜题时，你会觉得很有趣，而且这是一个非常优雅的解决方案。我们对电子在这些复杂系统中的行为有了新的认识，如果没有实验观察迫使我们思考这些事情，我们不可能获得这些认识。”来源：科学天天谈
