世界上第一台微机械随意扭曲二维材料

就在几年前，研究人员发现，改变两层石墨烯（一种原子厚的碳片）之间的角度也会改变材料的电子和光学性能。然后，他们了解到，1.1度的“扭曲”——被称为“神奇”角度——可以将这种金属材料转化为绝缘体或超导体，这一发现引发了人们对新量子技术可能途径的兴奋

为了研究这一现象背后的物理学，“扭曲动力学”研究人员必须生产数十到数百种不同配置的扭曲石墨烯结构——这是一个昂贵且劳动密集型的过程。但是，由2018年魔角的主要发现者、现任加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学助理教授袁曹领导的一个研究小组创造了一种可以以无数种方式扭曲单个结构的装置

在《自然》杂志发表的一项研究中，研究人员展示了世界上第一台可以随意扭曲二维材料的微机械

这款指甲大小的片上平台名为MEGA2D，使用微机电系统（MEMS）对厚度仅为纳米的2D材料进行电压控制操作，具有前所未有的灵活性和精度

曹说：“我们的工作扩展了现有技术在操纵低维量子材料方面的能力。”。“它还为新型混合2D和3D结构铺平了道路，在凝聚态物理、量子光学和相关领域具有广阔的应用前景。”

一个单一的结构，多种配置

曹和他的团队使用超可调的MEGA2D技术，在由两片六方氮化硼（石墨烯的近亲）制成的单一结构中展示了多种奇特的特性。此外，他们只需要少量样品来研究结构的非线性光学性质并测量范德华力

然而，一项发现让研究人员感到惊讶。当被MEGA2D扭曲时，他们注意到六方氮化硼的非线性光学性质中的“漩涡”

该论文的第一作者、哈佛大学的博士后唐浩宁说：“漩涡类似于‘半边天’——一种在某些磁性材料中发现的拓扑准粒子，但在非线性光学系统中从未被想到。”

“以前没有讨论过这些非线性光学特性，如果没有主动调谐平台MEGA2D，就不会发现这些特性。”

扭曲和调谐

据研究人员称，MEGA2D平台在双稳管之外有几个潜在的应用，包括用作经典或标准灯泡以及量子版本的可调光源。后者是使用非线性光学将蓝光转换为红光的特殊光源，可用于使用光子的量子计算

“传统上，这些量子光源具有固定的偏振，光波在空间中振荡的方式，”唐说

“使用我们的MEGA2D设备，光源输出具有可调偏振的光束，调谐范围非常广。一个亮点是它可以直接产生所谓的圆偏振光，即以旋转方式振荡并携带角动量的光。”

目前，该团队认为MEGA2D技术的真正力量在于基础研究。曹指出，人类在某些方面仍然受到我们对自然的看法和理解的限制

曹说：“通过我们的MEGA2D技术拥有这个新的‘旋钮’，我们设想扭曲石墨烯和其他范德华材料中的许多潜在难题都可以很容易地得到解决。”。“它肯定还会带来其他新的发现。”

曹表示，坚持和合作是MEGA2D技术成功发展的关键。唐设计了MEGA平台，并实现了使用MEMS技术实时控制2D接口的愿景

曹说：“这真的是团队合作，从物理学、工程学的混合专业知识中受益匪浅，还有很多修补和乐趣。” More information: Yuan Cao, On-chip multi-degree-of-freedom control of two-dimensional materials, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07826-x. www.nature.com/articles/s41586-024-07826-x

Journal information: Nature