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由單層碳原子以六邊形蜂窩狀連接的碳原子組成，石墨烯的結構簡單而又看似精緻。自從2004年石墨烯被發現以來，科學家們發現，其實石墨烯的強度非常高。而且，雖然石墨烯不是金屬，但它的超高速導電性能比大多數金屬都要好。
2018年，由Pablo Jarillo-Herrero和Yuan Cao領導的麻省理工學院的科學家們發現，當兩片石墨烯以略微偏移的 "魔力 "角度堆疊在一起時，這種新的 "扭曲 "石墨烯結構既可以成為絕緣體，完全阻斷電流通過該材料，也可以矛盾地成為超導體，能夠讓電子無阻力地飛過。這是一個巨大的發現，幫助啟動了一個新的領域，即 "twistronics"，即研究扭曲石墨烯和其他材料中的電子行為。
現在，麻省理工學院團隊在本周發表在《Nature》雜誌上的兩篇論文中，報告了他們在石墨烯扭曲電子學方面的最新進展。
在第一篇研究中，研究人員與魏茨曼科學研究所的合作者一起，首次對整個扭曲的石墨烯結構進行了成像和映射，其解析度足夠精細，以至於他們能夠看到整個結構中局部扭曲角的微小變化。結果發現，在結構內的一些區域，石墨烯層之間的角度略微偏離了1.1度的平均偏移量。
該團隊以0.002度的超高角度解析度檢測到了這些變化。這相當於能夠從一英裡之外看到一個蘋果與地平線的角度。
他們發現，相對於扭轉角度範圍較小的結構，角度變化範圍較小的結構具有更明顯的異形特性，如絕緣性和超導性，而扭轉角度範圍較寬的結構則具有更明顯的異形特性。
"這是第一次對整個器件進行映射，看看器件中某個給定區域的扭轉角是什麼，"麻省理工學院物理學教授Jarillo-Herrero說。"而且我們看到，可以有一點點的變化，仍然可以顯示出超導和其他奇特的物理現象，但不能太多。我們現在已經定性了你可以有多少扭曲變化，以及有太多的扭曲變化會產生什麼降解效應。"
在第二項研究中，該團隊報告說，他們創造了一種新的扭曲石墨烯結構，不是兩層，而是四層石墨烯。他們觀察到，與它的兩層結構相比，新的四層魔力角結構對某些電場和磁場更敏感。這表明，研究人員或許能夠更容易、更可控地研究四層體系中的魔角石墨烯的奇特性能。
"這兩項研究的目的是為了更好地理解魔角孿生石墨烯器件令人困惑的物理行為，"麻省理工學院的研究生曹說。"一旦理解了這些器件，物理學家相信這些器件可以幫助設計和工程化新一代的高溫超導體、量子信息處理的拓撲器件和低能技術。"
自從Jarillo-Herrero和他的研究小組首次發現了魔角石墨烯，其他研究小組就抓住了觀察和測量其特性的機會。幾個小組已經利用掃描隧道顯微鏡，即STM，一種在原子水平上掃描表面的技術，對魔角結構進行了成像。然而，研究人員只能用這種方法掃描到魔角石墨烯的小斑塊，最多只有幾百平方納米。
"走遍整個微米級的結構來觀察數百萬個原子，這是STM不適合的，"Jarillo-Herrero說。"原則上是可以做到的，但需要大量的時間。"
因此，該小組諮詢了魏茨曼科學研究所的研究人員，他們開發了一種掃描技術，他們稱之為 "掃描納米SQUID"，其中SQUID代表超導量子幹涉器件。傳統的SQUID類似於一個小的分叉環，其兩半由超導材料製成，並由兩個節點連接在一起。SQUID裝在類似於STM的裝置尖端周圍，可以在微觀尺度上測量流經該環的樣品磁場。魏茨曼研究所的研究人員按比例縮小了SQUID設計，以感應納米級的磁場。
當魔力角石墨烯被置於小磁場中時，由於形成了所謂的 "朗道能級"，在整個結構中產生持久電流。這些朗道能級，以及由此產生的持久電流，對局部扭曲角非常敏感，例如，根據局部扭曲角的精確值，會產生不同幅度的磁場。這樣一來，納米SQUID技術就可以探測到1.1度以上的微小偏移區域。
"事實證明，這是一項了不起的技術，它可以拾起1.1度以外的0.002度的微小角度變化，"Jarillo-Herrero說。"這對於映射魔法角度的石墨烯非常好。"該小組利用該技術繪製了兩種魔角結構：一種是扭曲變化範圍較小的，另一種是範圍較廣的。
"我們將一塊石墨烯片放在另一塊石墨烯上面，類似於將保鮮膜放在保鮮膜上面，"Jarillo-Herrero說。"你會想到會有皺紋，而且兩片片之間的區域會有一些扭曲，有的扭曲程度較低，就像我們在石墨烯中看到的那樣。"
他們發現，與扭曲變化範圍較窄的結構相比，扭曲變化較多的結構具有更明顯的異種物理學特性，比如超導性。
"現在我們可以直接看到這些局部的扭曲變化，那麼研究如何工程化扭曲角度的變化來實現器件中的不同量子相，可能會很有意思。"Cao說。
可調諧的物理學
在過去兩年裡，研究人員對石墨烯和其他材料的不同構型進行了實驗，看看以特定角度扭曲它們是否會帶來奇特的物理行為。Jarillo-Herrero的研究小組想知道，如果他們將石墨烯的結構擴大，使其不是兩層，而是四層石墨烯層相抵消，那麼神奇的物理學中的神奇角度石墨烯的神奇物理學是否會成立。
自從石墨烯在近15年前被發現以來，關於石墨烯特性的大量信息已經被揭示出來，不僅僅是單層石墨烯，還可以在多層石墨烯中堆疊排列--這與你在石墨或鉛筆芯中發現的結構類似。
"雙層石墨烯--兩層相互成0度角--是一個我們很了解其特性的系統，"Jarillo-Herrero說。"理論計算表明，在雙層石墨烯結構中，有趣的物理現象會發生的角度範圍更大。因此，這種類型的結構在製作器件方面可能會更加寬容。"
部分受這種理論上的可能性啟發，研究人員構造了一種新的魔角結構，將一個石墨烯雙層與另一個雙層抵消1.1度。然後，他們將這種新的 "雙層 "扭曲結構連接到電池上，施加電壓，並測量了當他們將該結構放置在各種條件下，如磁場、垂直電場等條件下流過裝置的電流。
就像由兩層石墨烯製成的魔法角結構一樣，這種新的四層結構表現出了奇特的絕緣行為。但獨特的是，研究人員能夠通過電場上下調節這種絕緣性能--這是兩層魔角石墨烯無法做到的。
"這個系統是高度可調諧的，這意味著我們有很多控制權，這將使我們能夠研究單層魔角石墨烯無法理解的東西，"Cao說。
"這在該領域還很早期，"Jarillo-Herrero說。"就目前而言，物理學界還只是被它的現象所吸引。人們幻想著我們可以製造出什麼樣的器件，但意識到這還太早，我們對這些系統還有很多東西要學習。"
論文標題為《Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene》。