使用曲面制作二维量子材料

威斯康星大学麦迪逊分校的科学家发现了一种方法,可以控制仅一个原子厚的扭曲的微观螺旋的生长。由威斯康星大学麦迪逊分校化学系宋金带领的团队建立的不断扭曲的二维材料堆栈,创造了科学家可以用来研究纳米级量子物理学的新特性。研究人员今天在《科学》杂志上发表了他们的工作。

“这是2D材料研究的当前前沿。在过去的几年中,科学家们意识到,当您在原子层之间(通常为几度)进行小的扭转时,就会产生非常有趣的物理特性,例如非常规的超导性。例如,扭曲的材料在低温下会完全失去其电阻。” Jin说道。“研究人员考虑了这些二维量子材料,并将这种工作称为'twistronics'。”

研究生和该研究的第一作者赵玉洲说,制造扭曲的二维结构的标准做法是将两片薄材料彼此机械堆叠,并用手小心地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,由于层之间的相互作用非常弱,因此它们无法控制扭曲角。

金说:“想象一下要制造一堆不断扭曲的扑克牌。如果您有灵活的手指,就可以扭曲纸牌,但我们面临的挑战是如何使原子层以可控的方式在纳米尺度上自我扭曲。”

Jin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的方法。

欧几里得几何学构成了我们熟悉的世界的数学基础。它使我们能够以平面,直线和直角来思考世界。相反,非欧几里得几何形状描述了弯曲的空间,其中的线是弯曲的,并且正方形中的角度之和不是360度。像爱因斯坦的广义相对论那样,解释时空连续体的科学理论使用非欧几里得几何作为基石。金说,对欧几里得几何学之外的晶体结构的思考开辟了新的可能性。

赵和金通过利用一种生长在晶体中的缺陷(称为螺旋位错)来制造扭曲的螺旋。Jin多年来研究了这种由位错驱动的晶体生长,并用它来解释例如纳米线树的生长。在二维材料中,位错为结构的后续各层提供了提升,因为它像停车坡道一样螺旋旋转,整个堆叠中的所有层都连接在一起,从而对齐了每一层的方向。

然后,为了生长非欧几里德螺旋结构并使螺旋扭曲,Jin的团队改变了螺旋生长的基础。Zhao没有在平坦的平面上生长晶体,而是在螺旋的中心下方放置了一个纳米粒子,例如氧化硅粒子。在生长过程中,粒子破坏了平面,并为2D晶体生长提供了弯曲的基础。

该团队发现的是,二维晶体不是连续排列的螺旋状结构,螺旋状结构的每一层的边缘与上一层平行,而是连续不断地扭曲,多层螺旋状可预测地从一层扭曲到下一层。层间扭曲的角度是由平面(欧几里得)2-D晶体和生长在其上的弯曲(非欧几里德)表面之间的不匹配引起的。

赵称这种模式,即螺旋结构直接在纳米颗粒上生长,形成一个圆锥形的底部,即“固定螺旋”。当结构在偏心的纳米粒子上生长时,就像在山坡上建造的房屋一样,这就是“未固定的螺旋”图案。Zhao根据曲面的几何形状开发了一个简单的数学模型来预测螺旋的扭曲角度,并且他建模的螺旋形状与生长的结构很好地匹配。

最初发现后,威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程学教授保罗·沃伊尔斯(Paul Voyles)和他的学生张晨宇在电子显微镜下研究了螺旋,以确认这些螺旋中原子的排列。他们的图像显示,相邻扭曲层中的原子形成了预期的重叠干涉图样,称为莫尔条纹(moirépattern),这也使精细的丝绸服装具有光泽和波纹。荣誉化学教授约翰·赖特(John Wright)和他的实验室进行了初步研究,表明潜在的扭曲螺旋光学特性。

研究人员使用过渡金属二卤化物作为扭曲螺旋的层,但是这个概念并不依赖于特定的材料,只要它们是二维材料即可。

“我们现在可以遵循一个植根于数学的理性模型,以创建这些二维层的堆栈,并在每一层之间具有可控制的扭转角,并且它们是连续的,”赵说。

扭曲的二维材料的直接合成将使人们能够研究这些二维的“双极电子”材料中的新型量子物理学,金和他的合作者正在对此进行认真的研究。

“当您看到所有内容都与简单的数学模型完全匹配,并且您想,'哇,这真的行得通'时,那种喜悦就是我们致力于研究的原因-您意识到自己正在学习的'尤里卡'时刻以前没有人了解的东西。”金说。

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