2024年8月21日，Nature在线发表了哈佛大学曹原、Amir Yacoby和Eric Mazur课题组的研究论文，题目为《On-chip multi-degree-of-freedom control of two-dimensional materials》，论文的第一作者为Haoning Tang。
二维材料（2DM）是一种变革性的材料，有可能揭示新的物理和器件应用，因为它们通过静电栅控和范德华（vdW）堆叠具有显著的可调性。范德华堆叠中转角的引入，以及本征的晶格失配，进一步通过莫尔效应控制了它们的能带结构和多体关联性。二十年来，组装范德华异质结一直依赖于干转移和湿转移。这些方法可靠、易于实施，并适用于后续处理，如蚀刻和电极蒸发。然而，随着2DM堆叠的复杂性不断发展，限制变得越来越明显。每个堆叠本质上都是唯一的，不可重构的。相关的不可再现性阻碍了对堆叠参数（如转角）的方便探索，并且许多结论仅从少数样品中得出。
在此研究中，作者介绍了一种使用微机电系统（MEMS）的具有原位可调界面特性的2DM片上平台。该平台由紧凑且经济高效的器件组成，能够对2DM进行精确的电压控制操作，包括近邻、转角和加压动作。通过在转角六方氮化硼（h-BN）的非线性光学磁化率中创建合成拓扑奇点（如半子）来演示这项技术。该技术的一个关键应用是开发具有实时和宽范围可调偏振的集成光源。此外预测了一种量子类似物，可以产生具有可调纠缠特性的纠缠光子对。这项研究工作扩展了现有技术在操纵低维量子材料方面的能力，并为新的混合二维和三维器件铺平了道路，在凝聚态物理、量子光学和相关领域具有广阔的应用前景。
图1 MEGA2D，一种用于转角二维材料的片上MEMS平台
图2 MEGA2D调控转角h-BN的非线性光学探测和拉曼光谱
图3 合成半子(半斯格明子)在转角h-BN非线性磁化率中的实验实现
图4 MEGA2D可调的经典和量子光源
论文链接
Tang, H., Wang, Y., Ni, X. et al. On-chip multi-degree-of-freedom control of two-dimensional materials. Nature, 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07826-x
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[2] Cao, Y., Fatemi, V., Fang, S. et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature, 2018, 556, 43–50. https://doi.org/10.1038/nature26160
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