作者:詹姆斯·厄顿，华盛顿大学 叠放并旋转两片双层石墨烯时出现的云纹图案示意图
具有磁有序的相关电子态出现在扭曲双层石墨烯中，扭曲角度范围很小，并且可以通过门控和电场来调节
信用:马修·扬科维茨 科学家可以有雄心勃勃的目标:治愈疾病，探索遥远的世界，清洁能源革命
在物理和材料研究中，其中一些雄心勃勃的目标是制造出具有非凡性质的听起来普通的物体:可以在没有任何能量损耗的情况下传输能量的电线，或者可以进行复杂计算的量子计算机，这些是今天的计算机无法实现的
逐渐将我们推向这些目标的新兴实验工作台是二维材料——单层原子厚度的材料片
在9月10日发表的一篇论文中
14在《自然物理学》杂志上，华盛顿大学领导的一个小组报告说，精心构建的石墨烯叠层——一种二维形式的碳——可以表现出高度相关的电子特性
研究小组还发现了证据，表明这种集体行为可能与外来磁性状态的出现有关
“我们已经创建了一个实验装置，允许我们以许多令人兴奋的新方式操纵石墨烯层中的电子，”合著者马修·扬科维茨说，他是UW大学物理学和材料科学与工程的助理教授，也是UW清洁能源研究所的研究员
扬科维兹和合著者徐晓东领导着这个团队，他是UW物理学和材料科学与工程的教授
徐还是分子工程与科学研究所、纳米工程系统研究所和清洁能源研究所的研究员
由于二维材料只有一层原子厚，原子之间的键只能在二维空间形成，像电子这样的粒子只能像棋盘游戏中的棋子一样移动:左右、前后或对角，但不能上下移动
这些限制可以赋予二维材料以三维材料所缺乏的特性，科学家们一直在探索不同材料的二维薄片，以表征和理解这些潜在的有用特性
扭曲双层石墨烯器件的光学显微图像
信用:马修·扬科维茨 但在过去的十年里，像扬科维茨这样的科学家也开始将二维材料分层——就像一堆煎饼——并发现，如果以特定的配置堆叠和旋转，并暴露在极低的温度下，这些层可以表现出奇异和意想不到的特性
UW团队研究双层石墨烯的构建模块:两片石墨烯自然层叠在一起
他们将一层双层堆叠在另一层之上——总共有四层石墨烯——并扭曲它们，使得两层双层之间的碳原子布局稍微不对齐
过去的研究表明，在单层或双层石墨烯之间引入这些小扭曲角会对它们的电子行为产生重大影响
由于电场和电荷分布在堆叠双层中的特定配置，电子显示出高度相关的行为
换句话说，它们都开始同时做同样的事情——或者显示同样的属性
“在这些情况下，描述单个电子在做什么不再有意义，而是所有电子同时在做什么，”扬科维茨说
“就像一屋子的人，任何一个人行为的改变都会导致其他人做出类似的反应，”大学物理系博士生、前清洁能源研究所研究员何说
量子力学是这些相关特性的基础，由于堆叠的石墨烯双层的密度超过每平方厘米1万亿个10^12电子，所以许多电子的行为是集体的
该团队试图在他们的实验装置中揭开一些相关状态的秘密
在绝对零度以上几度的温度下，研究小组发现，他们可以将系统“调谐”到一种相关的绝缘状态——在这种状态下，系统不会传导电荷
在这些绝缘状态附近，研究小组发现了一些具有类似超导特性的高导电状态
尽管其他研究小组最近报道了这些状态，但这些特征的起源仍然是个谜
但是UW团队的工作已经找到了可能解释的证据
他们发现这些状态似乎是由称为“自旋”的电子量子力学特性驱动的——自旋是一种角动量
在相关绝缘态附近的区域，他们发现了所有电子自旋自发排列的证据
这可能表明，在显示相关绝缘状态的区域附近，一种铁磁性正在出现——而不是超导性
但是需要额外的实验来验证这一点
这些发现是用二维材料进行实验时会出现的许多惊喜的最新例子
“我们在这一研究领域所做的大部分工作是试图创造、理解和控制新兴的电子态，这些电子态可以是相关的或拓扑的，或者同时具有这两种性质，”徐说
“对于未来的这些状态，我们可以做很多事情——例如，一种量子计算的形式，一种新的能量收集设备，或者一些新类型的传感器——坦率地说，直到我们尝试，我们才会知道
" 与此同时，期待栈，双层和扭曲角继续制造波浪
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