作者玛丽·马格努森，威斯康星大学麦迪逊分校 这种微观的、扭曲的螺旋——表现出有趣的、可调的超导特性——是通过在基底上沉积二维材料片来“生长”的，基底通过在下面滑动纳米粒子而稍微弯曲
学分:晋松实验室 威斯康星大学麦迪逊分校的科学家发现了一种方法，可以控制只有一个原子厚的扭曲的微观螺旋材料的生长
由UW-麦迪森化学教授晋松领导的团队构建的二维材料的连续扭曲堆叠创造了新的属性，科学家可以利用这些属性在纳米尺度上研究量子物理
研究人员今天在《科学》杂志上发表了他们的工作
“这是当前二维材料研究的前沿
在过去的几年里，科学家们意识到，当你在原子层之间做一个小的扭转——通常是几度——你会创造出非常有趣的物理性质，比如非常规超导性
例如，扭曲的材料在低温下会完全失去电阻，”金说
“研究人员考虑了这些二维量子材料，并把这样的工作称为‘扭曲’
" 研究生、该研究的第一作者赵玉舟说，制作扭曲二维结构的标准做法是将两片薄材料机械堆叠在一起，然后用手小心控制它们之间的扭曲角度
但是当研究人员直接生长这些二维材料时，他们不能控制扭曲角，因为层间的相互作用非常弱
“想象一下制作一叠不断旋转的扑克牌
如果你有灵活的手指，你就可以转动卡片，但我们面临的挑战是如何让原子层在纳米尺度上以可控的方式转动，”金说
金的团队发现了如何通过在欧几里得几何的平坦空间之外思考来控制这些扭曲的纳米级结构的生长
欧几里得几何构成了我们所熟悉的世界的数学基础
它允许我们用平面、直线和直角来思考世界
相比之下，非欧几里得几何描述的是曲线空间，其中直线是弯曲的，正方形中的角度之和不是360度
解释时空连续体的科学理论，如爱因斯坦的广义相对论，使用非欧几里得几何作为基础
金说，思考欧几里得几何之外的晶体结构，开启了有趣的新可能性
赵和金利用晶体生长过程中的一种缺陷——螺旋位错，创造了扭曲螺旋
金多年来一直在研究这种位错驱动的晶体生长，并用它来解释纳米线树的生长
在二维材料中，位错为结构的后续层提供了一个台阶，因为它像停车坡道一样盘旋，整个堆叠中的所有层都连接在一起，对齐每一层的方向
然后，为了生长非欧几里得螺旋结构并使螺旋扭曲，金的团队改变了螺旋生长的基础
赵没有在平面上生长晶体，而是在螺旋的中心放置了一个纳米颗粒，就像氧化硅颗粒一样
在生长过程中，粒子打破了平坦的表面，为二维晶体的生长创造了一个弯曲的基础
该团队发现，二维晶体形成了一个连续扭曲的多层螺旋，可以预测地从一层扭曲到下一层，而不是每层边缘平行于上一层的对齐螺旋
层间扭曲的角度是由平面(欧几里得)二维晶体和它们生长的曲面(非欧几里得)之间的不匹配引起的
赵将螺旋结构直接生长在纳米粒子上，形成锥形基底的模式称为“紧固螺旋”
当结构生长在偏离中心的纳米粒子上时，就像一座建在山边的房子，它是一种“松散的螺旋”模式
赵根据曲面的几何形状建立了一个简单的数学模型来预测螺旋的扭转角，他所模拟的螺旋形状与生长的结构相匹配
在最初的发现之后，UW-麦迪森材料科学与工程教授保罗·沃伊尔斯和他的学生张晨宇在电子显微镜下研究了螺旋，以确定这些扭曲螺旋中原子的排列
他们的图像显示，相邻扭曲层中的原子形成了一种预期的重叠干涉图案，称为莫尔图案，这也给精细的层状丝绸服装带来了光泽和波纹
荣誉退休的化学教授约翰·赖特和他的实验室进行了初步研究，表明扭曲螺旋具有不寻常的光学特性
研究人员使用过渡金属二元化合物作为扭曲螺旋的层，但是这个概念不依赖于特定的材料，只要它们是二维材料
“我们现在可以遵循一个植根于数学的理性模型来创建一个二维层的堆栈，每个层之间有一个可控的扭曲角度，并且它们是连续的，”赵说
直接合成扭曲的二维材料将使在这些二维“扭曲”材料中研究新的量子物理成为可能，这也是金和他的合作者们所热切追求的
“当你看到一切都与一个简单的数学模型完美匹配时，你会想，‘哇，这真的成功了，’那种喜悦就是我们从事研究的原因——那种‘灵光一现’的时刻，你意识到你正在学习别人以前不了解的东西，”金说
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