“魔角”石墨烯的秘密

瑞士纳米科学研究所（SNI）网络研究人员利用以摆模式运行的原子力显微镜来检查双层石墨烯器件。这种双层石墨烯中的两个纯碳层相对于彼此旋转了大约 1.1° 的“魔角”。结果提供了经验证据，表明该技术可用于调整设备的磁化强度和电流。

两层石墨烯层相对彼此扭转约1.1°的魔角。根据单个cell填充的电子数量，石墨烯表现出不同的电学和磁学特性。可以使用原子力显微镜的振荡尖端进行测量。绿色表面掺杂了过量的电子，而红色表面掺杂不足。磁场感应出极化环形电流。图片来源：巴塞尔大学物理系

这些发现最近发表在《通讯物理学》杂志上，并且是博士论文的一部分。论文得到瑞士纳米科学研究所（SNI）的支持。

二维材料设备制造的最新进展使新技术的可能性，特别是在量子技术领域成为可能。然而，强相互作用系统中的能量损失到目前为止还没有受到太多关注。

有鉴于此，巴塞尔大学物理系恩斯特·迈耶教授领导的一个小组采用了以摆模式运行的原子力显微镜来彻底检查石墨烯器件。为此，研究人员使用了由慕尼黑大学同事创建的两层石墨烯，该石墨烯有两层扭曲 1.08°。

当两层石墨烯层相互堆叠和扭曲时，会形成莫尔条纹上部结构，从而赋予材料额外的特性。例如，当两层石墨烯以所谓的 1.08° 魔角扭曲时，石墨烯在极低的温度下会变成超导体，在几乎没有能量损失的情况下导电。

微调属性

Alexina Ollier 博士最近通过原子力显微镜 (AFM) 测量证明，原子石墨烯层的扭转角是恒定的，约为 1.06°。此外，她还能够测量给予设备的电荷如何改变和调整石墨烯层的导电能力。

该材料表现出绝缘体或半导体行为，具体取决于添加到每个石墨烯电池中的电子量子。研究人员没有在石墨烯中获得超导性，因为这种现象（没有能量耗散的电流传导）仅发生在 1.7 开尔文的明显较低温度下，该温度高于测量过程中 5 开尔文（–268.15 °C）的相对较高温度。

然而，我们不仅能够修改和测量设备的导电特性，还能赋予石墨烯磁性——当然，石墨烯只由碳原子组成。

Alexina Ollier博士 巴塞尔大学物理系学生

巴塞尔大学物理系的恩斯特·迈耶教授补充道：“我们能够对电气元件中的微小石墨烯薄片进行成像，改变它们的电学和磁学特性，并精确测量它们，这是一项成就。未来，这种方法还将帮助我们确定各种二维成分在强相互作用下的能量损失。”

期刊参考：

Ollier, A., et. al. (2023) Energy dissipation on magic angle twisted bilayer graphene. Communications Physics. doi:10.1038/s42005-023-01441-4