做扭曲：使用曲面製作二維量子材料

這種微觀的、扭曲的螺旋——它表現出有趣、可調的超導特性——通過將二維材料的片狀沉積在基材上，通過滑下納米粒子，稍微彎曲。這種螺旋狀的螺旋具有有趣、可調的超導特性。

威斯康星大學麥迪遜分校的科學家發現了一種控制扭曲、微觀螺旋狀物質生長的方法，這種螺旋體只有一個原子厚。

由UW-麥迪遜化學教授宋進領導的一個團隊建造的二維材料不斷扭曲，創造了科學家可以利用的新特性來研究納米尺度上的量子物理學。研究人員今天在《科學》雜誌上發表了他們的研究。

"這是當前二元材料研究的前沿。在上些年，科學家已經意識到，當你在原子層之間（通常是幾度）之間做一個小的扭曲時，你會創造出非常有趣的物理特性，比如非常規超導性。例如，扭曲材料在低溫下完全失去電阻，"Jin 說。研究人員考慮這些二維量子材料，並稱之為"扭曲"。

研究生、該研究的第一作者趙玉洲說，製作扭曲二維結構的標準做法是機械地將兩片薄材料堆疊在一起，並用手小心地控制它們之間的扭曲角度。但是，當研究人員直接種植這些二-D材料時，他們無法控制扭曲角度，因為層之間的相互作用非常弱。

"想像一下，製作一疊不斷扭動的打牌。如果你有靈活的手指，你可以扭卡，但我們的挑戰是如何使原子層在納米尺度上以可控的方式扭曲，"金說。

Jin的團隊在歐幾裡德幾何學的平面空間之外思考，發現了如何控制這些扭曲的納米級結構的生長。

歐幾裡德幾何構成我們熟悉的世界的數學基礎。它允許我們用平面、直線和直角來思考世界。相比之下，非歐幾裡德幾何體描述的曲線空間，其中線條是彎曲的，而正方形中的角度總和不是 360 度。解釋時空連續體的科學理論，如愛因斯坦的廣義相對論，使用非歐幾裡德幾何作為基石。金說，考慮歐幾裡德幾何外的晶體結構，開闢了耐人尋味的新可能性。

趙和金利用一種稱為螺絲錯位的晶體生長的不完美，創造了扭曲的螺旋。金研究這種錯位驅動的晶體生長多年，並被用來解釋，例如，納米線樹的生長。在二-D 材料中，錯位為以下結構圖層提供了一步提升，因為它像停車坡道一樣螺旋，整個堆棧中連接所有層，使每層的方向對齊。

然後，為了發展一個非歐幾裡德螺旋結構，使螺旋扭曲，金的團隊改變了基礎，他們的螺旋增長。趙沒有在平面上生長晶體，而是在螺旋的中心下放置了納米粒子，就像氧化矽顆粒一樣。在生長過程中，顆粒會破壞平面，為二D晶體的生長創造彎曲的基礎。

研究小組發現，2-D晶體形成連續扭曲的多層螺旋，而不是每個層的邊緣與上一層平行的對齊螺旋，它可預測地從一個層扭曲到下一層。層間扭曲的角度產生於平面（歐氏）二-D晶體與它們生長的彎曲（非歐氏）表面之間的不匹配。

趙稱螺旋結構直接在納米粒子上生長的模式，形成了一個錐形的基座，即"固定螺旋"。當結構生長在一個離心的納米粒子上，就像建在山邊的房子一樣，它是一種"未緊的螺旋"圖案。趙先生根據曲面的幾何形狀，開發了一個簡單的數學模型來預測螺旋的扭曲角度，他的模擬螺旋形狀與生長的結構非常匹配。

在最初的發現之後，UW-麥迪遜材料科學和工程教授PaulVoyles和他的學生張晨宇在電子顯微鏡下研究了螺旋，以確認這些扭曲的螺旋中的原子對齊。他們的圖像顯示，相鄰扭曲層中的原子形成了一種預期的重疊幹擾模式，稱為摩爾紋圖案，這也給細層絲綢服裝的光澤和波紋。榮譽化學教授約翰·賴特和他的實驗室進行了初步研究，表明扭曲螺旋具有不尋常的光學特性。

研究人員使用過渡金屬二核糖基化物作為扭曲螺旋的層，但這個概念並不依賴於特定的材料，只要它們是二D材料。

"我們現在可以遵循一個植根於數學的理性模型，在每一層之間創建一個可控制的扭曲角度的二D層堆棧，並且它們是連續的，"趙說。

直接合成扭曲二維材料，將使這些二維"扭曲"材料中的新量子物理學研究，金和他的合作者正在認真追求。

"當你看到一切都與簡單的數學模型完美匹配，你會想，'哇，這真的算出來了'，這種喜悅就是我們從事研究的原因——那個'尤裡卡'時刻，你意識到你現在在學習別人以前沒有了解過的東西，"金說。