发现当石墨烯扭转角小于0.5度时，光响应消失，表现出优异性能

一种由两层单原子厚度的碳层组成材料，因其耐人寻味的导电特性而吸引了世界各地物理学家的注意。德克萨斯大学达拉斯分校自然科学与数学学院物理学助理教授张帆（音译）博士和物理学博士生王启月（音译）在与耶鲁大学自然光子学的夏凤年（音译）博士团队发表了一项研究，描述了扭曲双层石墨烯在中红外线下传导电流变化的能力。

石墨烯是一层以扁平蜂窝图案排列的碳原子，其中每个六边形由其顶点的六个碳原子组成。自2004年首次分离石墨烯以来，科学家们一直在深入研究石墨烯的独特性质，以期在先进的计算机、材料和设备中发挥潜在的作用。如果两张石墨烯堆叠在一起，其中一层被旋转，使得两层稍微不对准，那么产生的物理配置被称为扭曲的双层石墨烯，产生的电子性质与单独的单层或两个对准的层表现出的电子性质有很大不同。

人们对石墨烯的兴趣已经有大约15年了，研究单层很有趣，但如果有两层，它们的相互作用应该会呈现出更丰富、更有趣的物理。这就是为什么科学家们想要研究双层石墨烯系统的原因。当石墨烯层错位时，网格中会出现一种新的周期性设计，称为云纹图案。莫尔图案也是一个六边形，但它可以由10000多个碳原子组成。两层石墨烯错位的角度（扭转角度）对材料的电子性质至关重要，扭曲角越小，莫尔周期越大。

一个新的领域出现

德克萨斯大学奥斯汀分校物理学教授艾伦·麦克唐纳(Allan MacDonald)博士和拉菲·比斯特里策(Rafi Bistritzer)博士早在2011年就首次提出了特定扭曲角度对电子行为的不同寻常影响。当时，其科学家没怎么注意到这个理论，但现在它已经成为物理学中最热门的话题。在2011年的那项研究中，麦克唐纳和比斯特里策预测，电子的动能可以在错位1.1度所谓“魔角”的石墨烯双层中消失。

2018年麻省理工学院科学家证明了这一理论，麻省理工的科学家研究发现，将两个石墨烯层偏移1.1度产生了一种二维超导体，这种材料导电电流，没有电阻，也没有能量损失。在2019年发表在《科学进展》期刊上的一项研究中，张和王与俄亥俄州立大学的珍妮·刘博士团队一起展示了，当偏移0.93度时，扭曲的双层石墨烯既表现出超导状态，也表现出绝缘态：

从而显著扩大了魔术角度，在研究中既看到了绝缘态，也看到了超导态。这就是扭曲双层石墨烯研究成为如此热门领域的原因，可以操纵纯碳来实现超导，这一事实令人惊讶，也是史无前例的。在最新发表在《自然光子学》期刊上的研究中，张和在耶鲁大学的合作者研究了扭曲双层石墨烯是否以及如何与中红外光相互作用（人类看不到中红外光，但可以探测到它是热）。

新的研究发现

光和物质之间的相互作用在许多设备中都很有用，例如将阳光转化为电能，几乎每个物体都会发出红外线，包括人在内，这种光可以用设备探测到。研究着手确定中红外光可能如何影响扭曲双层石墨烯中电子的电导，包括根据莫尔图案的能带结构计算光吸收，这一概念决定了电子在材料中的量子力学运动方式。有标准的方法来计算规则晶体的能带结构和光吸收，但这是人造晶体，所以研究人员不得不想出一种新的方法。

利用德克萨斯先进计算中心的资源，这是德克萨斯大学奥斯汀分校的超级计算机设施，进行计算了能带结构，并展示了这种材料是如何吸收光线的。耶鲁大学的研究小组制造了设备，并进行了实验，显示中红外光响应（由于光线照射而增加的电导率）异常强烈，在1.8度的扭转角时最大，当扭转角小于0.5度时，强烈的光响应消失。理论结果不仅与实验结果很好地匹配，而且还指出了一种从根本上与莫尔图案周期有关的机制。

而且莫尔图案本身又与两个石墨烯层之间的扭角有关。扭曲角在决定扭曲双层石墨烯的性质时显然非常重要。但问题来了：能否将其应用于调整其他二维材料，以获得前所未有的功能？此外，能否将扭曲双层石墨烯的光响应和超导电性结合起来？例如，光线能否诱导或以某种方式调制超导电性？这将是非常有趣的研究。固态电子和电磁学项目经理乔·邱博士表示：这一新的突破可能会使基于石墨烯的新型高灵敏度红外探测器成为可能。

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博科园｜研究/来自：德克萨斯大学达拉斯分校

参考期刊《自然光子学》

DOI: 10.1038/s41566-020-0644-7

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