石墨烯，一種極薄的二維石墨層，比如我們使用鉛筆時在紙上寫字留下的薄薄的一層石墨。如果用一支很寬的木工用的鉛筆，在一個平坦的紙板上塗抹一層，你會立即看到這一層有點閃閃發光。可是等過一段時間或溫度發生了變化，你會發現這一層塗層不再閃閃發光，這是因為這一塗層變得凸凹不平不再那麼反光。
類似的道理，極薄的二維石墨層當附著在平面上冷卻時，會變得凸凹不平，形成漂亮的褶皺圖案。這種凸凹不平的現象，在英文裡稱為：buckled，中文翻譯為屈曲。這樣被屈曲的石墨烯超晶格，即稱為屈曲石墨烯超晶格，英文：buckled graphene superlattices，如下圖所示，由於石墨烯的屈曲所產生的如層層山脈和山谷景觀，亮的連接點是已減速並強烈相互作用的電子。
超晶格（英語：superlattice）指兩種或多種材料構成的周期性交替層結構。通常每一層的厚度在幾個納米的數量級。20世紀初，人們通過X射線衍射發現了超晶格的現象。
在超晶格結構中，當兩種薄層材料的厚度和周期長度小於電子平均自由程時，整個電子系統進入量子領域，產生量子尺寸效應。此時，夾在兩個壘層間的阱就是量子阱（英語：quantum well）。
石墨烯超晶格的這種屈曲，在許多人看來很平常。一個由中國、美國、比利時、日本的物理學家們組成的研究團隊，對屈曲石墨烯超晶格進行了深入具體的研究，他們的研究結果將有利於尋找新型量子材料和超導體。該最新研究成果論文，題為：「屈曲石墨烯超晶格中的平帶和相關態的證據」，發表在了昨天的《自然》雜誌上。
論文作者中有4為中國科學家，包括論文第一作者。論文主導之一、伊娃·安德烈（Eva Y. Andrei）是美國著名凝聚態物理學家、羅格斯大學（Rutgers University）資深教授。她的研究重點是由許多粒子的集體行為引起的物質的新興特性，尤其是在低溫和強磁場下的低維現象。
量子材料擁有具有特殊性質的強相互作用電子，例如糾纏的軌跡，可以為超快速量子計算機提供構建基礎。它們還可以成為超導體，可以通過提高輸電和電子設備的效率來降低能耗。
二維（2D）原子晶體可以響應外部影響（例如襯底方向或應變）從根本上改變其性能，從而在電子結構方面產生實質上新的材料。一個明顯的例子是在雙層石墨烯中為兩層的取向之間的某些「魔術」扭曲角創建了平坦帶。這些平帶中的猝滅動能促進了電子與電子的相互作用，並促進了強相關相的出現，例如超導性和相關絕緣體。
但是，尋找扭曲雙分子層石墨烯中出現平帶的魔術角所需的精妙微調對製造和可擴展性提出了挑戰。
研究團隊提出了一種不涉及微調的創建平坦頻帶的替代方法。使用掃描隧道顯微鏡和光譜學以及數值模擬，證明了放置在原子平坦基底上的石墨烯單分子層可能會被迫經歷屈曲轉變，從而導致周期性調製的偽磁場。通過靜電摻雜將費米能級帶入這些平坦帶中，觀察到了態密度（DOS）的偽間隙狀耗盡，這表明相關態的出現。
所描述的2D晶體屈曲方法提供了一種創建其他超晶格系統的策略，尤其是探索平坦帶特有的相互作用現象的策略。
安德烈教授表示，「我們在石墨烯中發現的屈曲，模仿了當今大磁技術無法達到的巨大磁場的作用，導致材料的電子性能發生了巨大變化，」如石墨烯這樣的堅硬薄膜的屈曲，作為可拉伸電子設備的平臺正在獲得廣泛應用，該平臺具有許多重要的應用，包括像眼睛的數位相機、能量收集、皮膚傳感器、健康監測設備（如微型機器人和智能手術手套）。我們的發現為控制納米機器人的設備的開發開闢了道路，這種設備可能有一天在生物學診斷和組織修復中發揮作用。」
屈曲的石墨烯晶體的性質在冷卻時會發生根本性變化，從而創造出本質上具有電子的新材料，這些電子會放慢速度，彼此關聯並發生強烈相互作用，從而使諸如超導性和磁性等令人著迷的現象出現。
弱分散的「平坦」譜帶促進了強相關電子相的出現，這些相在高溫下仍然可以生存。一個著名的例子是磁感應平帶的蘭道（Landau）能級序列，它可以承載相關的相位，例如分數量子霍爾態或磁感應維格納晶體。
但是，磁感應的平帶具有有限的適用性，因為破裂的時間反轉對稱性阻止了某些相關狀態的出現，例如超導性。最近，微調的扭曲雙層石墨烯微調到出現平帶的「魔角」，引入了一個新平臺來創建相關相。
研究人員探索了一條扁平帶的替代路徑，該路徑不需要微調或打破時間反轉對稱性。該策略涉及通過利用在2D膜經歷屈曲過渡時發生的能帶結構重建來創建平坦帶。剛性膜中的屈曲過渡通常是由平面內壓縮應變觸發的，該壓縮應變可以在熱循環過程中，由溶劑引起的毛細作用力或由基板引起的應力產生。超過臨界應變值時，膜的屈曲會通過平面外變形而降低其彈性能，從而產生有趣的周期性應變模式（圖b，c），其結構由邊界條件和應變分布決定。
研究發現，在石墨烯中，屈曲引起的應變陣列會引起周期性的偽磁場，該偽磁場將低能帶結構重構為一系列基本平坦的帶。不像偽磁場的早期實現方式本質上大多是局部的，這裡研究的屈曲轉變在電子結構中產生了全球性變化，電子結構由一系列貫穿整個材料的平帶組成。
研究分析表明，屈曲是由熱循環過程中脊塌陷產生的壓縮應變觸發的。這會產生從1D到2D的各種屈曲圖案，具有類似的納米尺度周期，這表明對石墨烯與其襯底之間的晶格失配不敏感的通用屈曲機理。
這些發現表明，屈曲誘發的周期性應變模式提供了一種新的實驗策略，以創建平坦帶並以異常的靈活性誘導相關狀態。屈曲結構的形狀、周期和對稱性可以通過實驗上可調節的參數來控制，例如邊界幾何形狀和應變分布，可以實現具有規定幾何形狀的平帶。論文所描述的使2D晶體彎曲的方法，將可被廣泛用於創建具有可控電子帶結構的其他超晶格系統，以探索強相互作用和相關相的出現。
通過高科技成像和計算機模擬，科學家們發現，石墨烯放置在由二硒化鈮製成的平坦表面上，當冷卻至比絕對零值高4度時會發生屈曲。對於石墨烯中的電子，屈曲產生的山地和山谷狀態表現為巨大的磁場。這些偽磁場是一種電子幻覺，但它們卻充當了真正的磁場。她說：「我們的研究表明，二維材料的屈曲會極大地改變其電子性能。」 「這將有利於納米機器人和量子計算的應用前景。」
參考：Evidence of flat bands and correlated states in buckled graphene superlattices, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2567-3 ， www.nature.com/articles/s41586-020-2567-3量子認知 | 簡介科技新成就，敬請熱心來關注