在材料科学和量子物理中,称为“魔角”扭曲双层石墨烯中的莫尔条纹,和平带相关行为,可观察到扭曲双层石墨烯中的超导性和类莫特绝缘体状态,扭转角约为0.93度。这个角度比之前研究中计算的“魔角”角度(1.1°)小15%,显示扭曲双层石墨烯的“魔角”范围,比之前预期的要大。这为破译扭曲双层石墨烯中的强量子现象提供了丰富的新信息,可用于环量子计算机中的应用──相邻范德瓦尔斯层之间的相对扭曲角,以产生石墨烯中的莫尔条纹和平带,已经成为一种新的和独特适合于显着改变、定制基于二维材料的设备属性,以实现电流流动的方法,证明了当两个单层石墨烯层以θ=1.1±0.1°的“魔角”扭转角度堆迭时,出现了非常平坦的带。 2)其次说“魔角”之奇。量子色动化学--石墨烯这种新兴的莫尔铁电特性有望实现超快速,可编程且原子级超薄的碳基存储设备。 为啥?双层转角石墨烯的谱学表征量子色动化学图,这种材料由两层碳原子堆迭而成,两层蜂窝状碳原子晶格不完全对齐。尖端和样品中的电子态分别被填充到特定的能量。在外加的电压下,这两个能量的差值可以调控并导致电子在尖端和样品之间发生“隧穿”。 这种电子隧穿现象会产生可测量的电流信号,尖端中的电子态密度可以近似认为与能量无关,此时电流关于偏压的变化(dI/dV)正比于样品中的电子态密度。实验可直接观测到双层转角石墨烯中的莫尔条纹。通过观察沿不同方向条纹之间的间距变化,可定量测量系统中的应变,还能揭示由两片石墨烯的层间相互作用所造成的碳原子在空间不同位置的位移。石墨烯以及其他相关材料的转角多层系统,具有简单的化学性质和高度可调的灵活度(比如电子密度),这些系统有希望成为关联用“暗物质”造量子计算机理论的通用测试平台。 莫尔晶格中经常可见将两个周期结构重迭在一起、并且彼此之间转过一定的角度,人们会在其上看到明暗相间的条纹,此即莫尔条纹──拿起两把梳子,将其重迭并相互转过一个小角度,便能看到明暗相间的条纹──莫尔条纹。利用两把梳子展示的莫尔条纹,这可能是最简单的莫尔条纹。实际上留心观察,会看到莫尔条纹在艺术设计、纺织业、建筑学、图像处理、测量学和干涉仪等方面都有一些独特的应用。在扭曲双层石墨烯中,实验观察到超晶格第一个微带(结构特征)在“魔角”处半填充时的绝缘相。出人意料地0.93±0.01的扭曲角,这比已经建立的“魔角”小了15%,并且显示出超导特性。 这表明新的关联态可以出现在“魔角”扭曲双层石墨烯中,低于初级“魔角”,超出石墨烯的第一个微带。为了建造这些“魔角”扭曲双层石墨烯设备,可使用“撕裂和堆迭”的方法──如封装了六边形氮化硼(BN)层之间的结构图,成霍尔棒几何形状,具有多根导线耦合到Cr/Au(铬/金)边缘触点。并在用作背栅的石墨烯层的顶部,制造整个“魔角”扭曲双层石墨烯器件。 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 在电子端和空穴端都可观测到超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性。在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应。并且,从朗道扇形图中, 可以清晰看到磁场下形成的超晶格朗道能级。此外, 利用红外光谱的方法,观察强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙。 在此基础上, 在380meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子--电子相互作用引起的旋量势的重构。在ABC--三层石墨烯以及六方氮化硼(hBN)摩尔超晶格中,发现可调超导性特征。与“魔角”双层石墨烯不同,石墨烯是碳原子组成的蜂巢状晶体的片状石墨,但是厚度只有单个原子,是一种二维材料。单层的石墨烯在超低温下具有超导电性。如果将双层石墨烯扭转成特定角度──被称为“魔角”石墨烯──材料表现为莫特绝缘体。 然后向这种绝缘体施加微弱的电场,也就是掺杂电子,双层石墨烯就会表现出非常规超导性,类似于高温超导铜氧化物。在扭转双层石墨烯中的旋转效应:a. 当双层石墨烯被扭曲时,上层薄片被旋转使得无法与下层薄片对齐,从而让元胞得到扩展。b. 对于小角度的旋转,就会出现所谓的“摩尔纹”,其中局部堆迭的排列呈周期性变化。“魔角”石墨烯的绝缘行为并不是莫特绝缘,而是更为深刻的维格纳晶体。基于魔角石墨烯的莫尔超晶格,非常规的铁电性和磁性控制,发现超常规铁电性铁电材料通常由晶胞内正负电荷的平均中心之间的空间分隔形成,具有可电切换的电偶极子。 一般而言,石墨烯(仅由碳原子组成的材料)并不会表现出铁电性。在基于石墨烯的莫尔异质结构中发现非常规铁电性能,在两个六方氮化硼层之间的伯纳尔堆迭双层石墨烯中,实现了可切换的铁电。通过使双层石墨烯与顶部或底部氮化硼晶体对齐,引入莫尔超晶格电势后,石墨烯电阻具有明显的磁滞行为。位移场和电子填充的响应函数无比惊人,超出了常规铁电体的范围。进一步利用非局部单层石墨烯传感器直接探测铁电极化,发现在双层石墨烯/氮化硼莫尔系统中,存在一种非常规的奇偶校验电子排序。长期以来,自旋磁性只能通过电场间接控制在该磁性体系中,非平整带拓扑结构有利于轨道角动量的长程阶数,但自旋仍然存在无序。使用双层旋转堆迭的石墨烯组成的范德华异质结,作为实现狭窄且拓扑学上不重要的谷投影莫尔微带,在这些带内,每个摩尔单元晶胞填充1到3个电子时,就能观察到量子反常霍尔效应,其横向电阻大约等于h/2e2(其中h是普朗克常数,e是电子上的电荷)。当每个摩尔单位晶胞中填充3个电子时,可以通过对化学势的场效应控制来逆转量子反常霍尔效应的征兆。 这种转变具有一定的滞后性,可用来证明非易失性电场引起的磁态逆转。这种效应是由拓扑边缘状态引起的,该状态驱动磁化特征的变化,进而促进更有利的磁状态发生逆转。六角晶格,每个摩尔元胞中只有一个电子,具有金属导电性。蜂巢晶格,每个摩尔元胞包含2个电子的绝缘态,和每个摩尔元胞包含3个电子的绝缘态。在量子材料中,那些在多个自由度或能量尺度上达到微妙平衡的现象,是暗物质凝聚态物理研究的基本兴趣。当具有相似晶格常数的两个单层石墨烯垂直堆迭且略微未对准时,则会呈现出周期性莫尔图案,从而改变材料的电子态和相变,将二维莫尔超晶格推向前沿研究的制高点。 “魔角”之奇,是当两个几何规则的图案重迭的这种效果图案,曾织物和时装中流行。在扭曲石墨烯中,莫尔晶格的物理结构会产生能量状态,阻止电子分开,使电子无法相互离开,相反,它们必须处于相似的能级。这种纠缠是否与量子计算机理论及其超导性有关呢?无论是电子“引流”还是原子“积木”实践,高温超导现象并不孤单,它完全可以通过人工调控和结构织造来“模拟”再现其物理。 3)再次说孤子传播。莫尔晶格中的局域代表了一种全新的局域方式──莫尔晶格对应的准能带结构中各级能带都是极平带,因此光子在莫尔晶格里失去了动能,自然无法扩散,只能局域。 众所周知,德布罗意在其提出的物质波假设中,指出粒子具有波动性。如拿实物粒子(电子)做双缝实验,能在衍射屏上看到明暗相间的干涉条纹。反过来,波也具有粒子性。最能生动体现这一点,就要属光孤子。光孤子是指非线性效应平衡衍射或色散效应,从而在演化过程中始终保持波形不变的一束光或一个光脉冲。与经典粒子一样,光孤子之间也可以发生碰撞,并能呈现出一切可能的碰撞形式:弹性碰撞、完全非弹性碰撞、碰撞后湮灭或分裂、形成类似于DNA分子结构的螺旋运动等。光孤子具有的粒子性使其在携带光信息、实现光控光方面具有重要的应用价值,因此,光孤子一直是非线性光学领域内最为前沿的研究方向之一。 而光孤子的研究,始终和材料的发展与结构的设计紧密联系在一起。在大块材料或者均匀环境中,由于需要平衡天然的衍射和色散效应,光孤子的形成一般需要极高的激光功率。相对应地,在周期系统(如波导振列或者光子晶体结构)中,借助于能带设计,人们可以调控衍射和色散的强度,从而降低形成光孤子的阈值功率,但即便如此,阈值功率依然处于较高的水平上。光孤子具有的粒子性,使其在携带光信息、实现光控光方面具有重要的应用价值,因此,光孤子一直是非线性光学领域最为前沿的研究方向之一。光孤子是指非线性效应平衡光的散开效应,从而在演化过程中始终保持波形不变的一束光或一个光脉冲。与经典粒子一样,光孤子之间也可以发生碰撞,并能呈现出一切可能的碰撞形式:弹性碰撞、完全非弹性碰撞、碰撞后湮灭或分裂等。孤子的阈值功率随莫尔角的变化。当莫尔角约为36.8°(一阶勾股角)时,孤子的阈值功率达到最大。所涉及的莫尔晶格为两个振幅比为5:1的方形晶格迭加而成。
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