莫阿量子物質(zhì)  

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的超薄材料，其原子以六邊形的模式，連接成網(wǎng)格模式。這些只有單原子厚的二維（2D）材料，具有非凡的性能。

當(dāng)將兩層或以上的石墨烯網(wǎng)格堆疊起來，并將它們相互扭轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，這些材料就會(huì)呈現(xiàn)出許多的奇異特性。根據(jù)扭轉(zhuǎn)角度的不同，它們可以突然產(chǎn)生磁場(chǎng)，成為零電阻的超導(dǎo)體，或成為完美的絕緣體。這些經(jīng)過了扭轉(zhuǎn)的石墨烯材料，也被稱為莫阿量子物質(zhì)（moiré quantum matter）。

最近，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)新的研究，表明他們開發(fā)出了一種新的“量子標(biāo)尺”（quantum ruler），可用于測(cè)量和探索這些莫阿量子物質(zhì)的奇異特性。

新的量子標(biāo)尺 

在垂直磁場(chǎng)中，電子沿圓周運(yùn)動(dòng)。通常，固體材料中的電子的圓形軌道，與外加磁場(chǎng)之間存在一種特殊的關(guān)系：每個(gè)圓形軌道所包圍的面積乘以外加磁場(chǎng)，只能等于一組固定的離散值?；蛘哒f，這些電子占據(jù)著被稱為朗道能級(jí)的離散能級(jí)。

為了讓這個(gè)乘積保持不變，如果磁場(chǎng)強(qiáng)度減半，那么繞軌道運(yùn)行的電子所包圍的面積必須翻倍。遵循這種模式的能級(jí)之間的差異，就可以像標(biāo)尺上的刻度一樣，可以被用來測(cè)量材料的電子性質(zhì)和磁性。一旦這種模式出現(xiàn)任何細(xì)微的偏差，都意味產(chǎn)生了一種新的量子標(biāo)尺。在新的研究中，研究人員就發(fā)現(xiàn)了一種新的量子標(biāo)尺在起作用的證據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將一個(gè)直徑約20微米的雙層石墨烯相對(duì)于另外一個(gè)雙層石墨烯扭轉(zhuǎn)了1.74°，創(chuàng)造出了一種莫阿量子物質(zhì)設(shè)備。隨后，他們將這個(gè)新創(chuàng)造的設(shè)備冷卻到僅比絕對(duì)零度高0.01度的超低溫，以此來減少原子和電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，提高材料中電子發(fā)生相互作用的能力。

這張圖描繪了在由兩個(gè)雙層石墨烯構(gòu)成的莫阿量子材料中的電子的階梯狀能級(jí)（右邊的紅藍(lán)點(diǎn)），這些能級(jí)可以作為一種量子標(biāo)尺來確定材料的電子性質(zhì)和磁性。（圖/B. Hayes/NIST）

接著，研究人員觀測(cè)了當(dāng)施加的外部磁場(chǎng)的強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，石墨烯層中的電子能級(jí)會(huì)如何變化。他們利用多功能的掃描隧道顯微鏡，對(duì)電子能級(jí)進(jìn)行了測(cè)量。當(dāng)他們?cè)诖艌?chǎng)中對(duì)這些雙層石墨烯施加電壓時(shí)，顯微鏡記錄下了從材料“隧穿”到顯微鏡探針尖端的電子所產(chǎn)生的微小電流。

他們發(fā)現(xiàn)，電子的圓形軌道所包圍的面積乘以外加磁場(chǎng)不再等于一個(gè)固定的值，而是與固定值之間存在一定偏差，偏差的具體大小取決于雙層石墨烯的磁化強(qiáng)度。這種偏差可以被轉(zhuǎn)化為電子能級(jí)的一組新的標(biāo)尺，有望揭示束縛在莫阿量子材料上的電子是如何產(chǎn)生新的磁性的。

莫阿量子物質(zhì)中的電子被形狀像雞蛋盒的電勢(shì)所捕獲；電子集中在紙箱的谷底（較低的能態(tài)）。（圖/S. Kelley/NIST）

在莫阿量子材料中，電子有一系列可能的能量，它們高高低低，形狀宛若一個(gè)裝雞蛋的盒子，這些能量是由材料的電場(chǎng)決定的。電子集中在較低的能態(tài)，對(duì)應(yīng)于雞蛋盒的低谷。在雙層石墨烯中，谷之間的間距，比任何單層石墨烯或多層但未經(jīng)扭轉(zhuǎn)的石墨烯中的原子間距都要大，這一點(diǎn)可用于解釋研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的莫阿量子物質(zhì)的一些不尋常的磁性。

潛在應(yīng)用  

對(duì)莫阿量子物質(zhì)的測(cè)量結(jié)果有望為科學(xué)家如何定制和優(yōu)化量子材料的磁性和電子性質(zhì)給予更深入的理解，這對(duì)于微電子和相關(guān)領(lǐng)域的大量應(yīng)用都至關(guān)重要。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)另一種應(yīng)用十分感興趣，那就是在適當(dāng)?shù)臈l件下，莫阿量子物質(zhì)可能給予一種新的、更容易使用的標(biāo)準(zhǔn)電阻，它可以直接在工廠車間對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，無需被送往別處的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。

現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)電阻是基于當(dāng)強(qiáng)磁場(chǎng)作用于二維材料中的電子時(shí)，所產(chǎn)生的離散的電阻值。離散的電阻值可用于校準(zhǔn)各種電氣設(shè)備的電阻。但是由于需要強(qiáng)大的磁場(chǎng)，校準(zhǔn)只能在一些專門的計(jì)量設(shè)施中進(jìn)行。

如果研究人員能夠操縱莫阿量子物質(zhì)，使其即使在沒有施加外部磁場(chǎng)的情況下也具有凈磁化強(qiáng)度，那么它就有可能被用來創(chuàng)造出這樣一種新的更加便攜的、精確的標(biāo)準(zhǔn)電阻。如此一來，電子設(shè)備的校準(zhǔn)可以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，這能節(jié)省大量的經(jīng)費(fèi)。
文章來源：原理

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