低維與奈米尺度系統

扭轉雙層

/ TWIS-ted BY-lay-er /

拿兩張一模一樣的紗窗,把一張完完整整地疊在另一張上——你幾乎注意不到第二張的存在。現在把上面那張只轉一個極小的角度。一片由明暗斑塊組成的醒目圖案,會忽然鋪展開來,遠比網眼本身大得多。把兩張原子薄片以一個小小的扭角疊在一起,做的正是同一件事,而這浮現出來的圖案,會戲劇性地改變物理。

扭轉雙層是兩片原子級薄的晶體,通常是兩張石墨烯,一張相對另一張轉過一個一度左右的小角度疊在一起。這一點點錯位,造出一種大尺度的重複圖案,即莫爾條紋,它對電子而言,就像一個全新的、大得多的晶格。在某些「魔角」上,這個超晶格把電子的能帶壓得如此之平,以至於電子幾乎慢到停滯,而它們彼此之間的排斥——通常只是個次要效應——便反客為主,主宰了一切。

扭轉雙層之所以重要,是因為這單單一個扭角,成了一個全新的控制旋鈕:2018年,人們發現接近約1.1度的扭轉雙層石墨烯,能在絕緣和超導的行為之間切換,由此開創了「扭電子學」這一領域。誠實的提醒是:要命中並穩住魔角異常微妙——偏差零點幾度,或各層隨時間略微鬆弛,都可能把那些戲劇性的效應徹底抹去。

當兩張石墨烯被扭到大約1.1度時,這材料可以從一個阻斷電流的絕緣體,被調成一個以零電阻承載電流的超導體——而這一切僅靠調節附近的一個電壓,材料本身絲毫未變。

扭到魔角的雙層石墨烯,能在絕緣與超導之間被來回切換。

扭轉的神奇之處,並不在角度本身,而在它所產生的巨大莫爾超晶格:正是這浮現出來的圖案把能帶壓平,所以扭角之所以要緊,僅僅因為它設定了莫爾圖案的間距。

又稱
twisted bilayer graphene扭转双层