石墨烯是一层以扁平蜂窝状排列的碳原子，其中每个六边形在其顶点处由六个碳原子形成。石墨烯碳片是一种由两个单原子厚的碳层组成的材料，以其有趣的和潜在的电学性质而吸引了全世界物理学家的注意力。

最近，一个由耶鲁大学和德克萨斯大学的物理学家、数学家组成的研究团队揭示了扭曲的双层石墨烯传导电流的能力如何响应中红外光而变化，产生无与伦比的性能。他们的研究成果论文发表在《自然-光子学》上。

论文作者大多为华人学者，包括论文主导之一、耶鲁大学工程科学系副教授、夏丰年（FengnianXia）及其研究小组、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、论文主导之一、张凡（FanZhang）、和博士生王启月（QiyueWang）。夏丰年年毕业于清华大学电子系，年获普林斯顿大学博士学位，年被麻省理工学院评为全球顶尖青年科技创新家。张凡毕业于中科大物理系，年获得德克萨斯大学物理学博士。

从一层到两层

石墨烯是排列成扁平蜂窝状的单层碳原子，其中每个六边形在其顶点处由六个碳原子形成。自年首次隔离石墨烯以来，科学家对它的独特性能进行了深入研究，以潜在地用于先进的计算机、材料和设备等。

如果将两层石墨烯彼此堆叠，然后旋转一层，使各层略微不对齐，则所得的物理结构称为扭曲双层石墨烯，会产生与单一层或两个对齐的层的石墨烯显着不同的电子性能。

张说：“石墨烯引起人们的兴趣已有大约15年的时间。”“单层的研究很有趣，但是如果我们有两层，它们的相互作用将带来更丰富、更有趣的物理学。这就是为什么我们要研究双层石墨烯系统的原因。”

一个新领域的出现

当石墨烯层未对齐时，网格中出现了一种新的周期性设计，称为莫尔图案。莫尔条纹也是六边形，但可以由1万多个碳原子组成。

如上面动画所示，当两个堆叠的石墨烯层错位少量（称为扭曲角）时发生的情况。网格中出现了一种新的周期性设计，称为莫尔条纹。该研究论文即是研究扭曲角如何影响这种扭曲的双层石墨烯的电子性能。

王说：“两层石墨烯错位的角度的扭曲角，对材料的电子性能至关重要。”“扭曲角越小，莫尔条纹的周期性就越大。”

特定扭转角对电子行为的异常影响最早是由物理学教授、艾伦·麦克唐纳（AllanMacDonald）和拉菲·比斯特里泽（RafiBistritzer）于年提出的。张见证了这一领域的诞生，当时他是麦克唐纳研究小组的一名博士生。

张说：“当时，其他人并没有真正注意到这一理论，但是现在它已经可以说是物理学中最热门的话题了。”

在年的研究中，麦克唐纳和比斯特里泽预测，电子的动能在石墨烯双层中消失，该双层石墨层的错位为所谓的1.1度“魔角”。年，麻省理工学院的研究人员证明了这一理论，发现将两个石墨烯层错开1.1度可产生二维超导体，该超导体是一种无电阻且无能量损失的导电电流材料。

在年《科学进展》的一篇文章中，张和王以及俄亥俄州立大学的JeanieLau博士的研究小组表明，当偏移0.93度时，扭曲的双层石墨烯既显示超导状态又显示绝缘状态，从而大大拓宽了魔角。

王说：“在我们以前的工作中，我们看到了超导电性和绝缘性。这就是使扭曲双层石墨烯成为如此热门的领域-超导电性的原因。您可以操纵纯碳来实现超导，这一事实令人惊奇且前所未有。”

新发现

在他们最近的《自然-光子学》论文研究中，研究了扭曲的双层石墨烯是否以及如何与中红外光相互作用，人类看不到但可以将其检测为热量。

王说：“光与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。”“几乎每个物体都发出红外光，包括人，这种光可以用设备检测到。”

张是理论物理学家，因此他和王着手确定中红外光如何影响扭曲的双层石墨烯中电子的电导。他们的工作涉及基于莫尔条纹的能带结构计算光吸收，该概念确定电子如何以机械方式在材料量子中移动。

王说：“有一种标准方法可以计算出普通晶体的能带结构和光吸收率，但这是一种人造晶体，因此我们不得不提出一种新方法。”王利用位于德克萨斯大学奥斯汀分校的超级计算机设施——德克萨斯高级计算中心的资源，计算了能带结构，并展示了材料如何吸收光。

耶鲁大学的团队制造了器件并进行了实验，结果表明，中红外光响应（由于光的照射而导致的电导增加）异常强，并且在1.8度的扭曲角处最大。强的光响应消失于小于0.5度的扭转角。

他说：“我们的理论结果不仅与实验结果相吻合，而且指出了一种机制，该机制从根本上与莫尔图案周期有关，该莫尔图案周期本身与两个石墨烯层之间的扭曲角有关。”

下一步

张说：“扭曲角显然对确定扭曲的双层石墨烯的性质非常重要。”“问题出现了：我们可以将其应用于其他二维材料以得到前所未有的特性吗？而且，我们可以将光响应和超导电性结合在扭曲的双层石墨烯中吗？例如，发光可以诱发或以某种方式调节超导电性吗？那会是非常有趣的。”

美国陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室（ARO）固态电子学和电磁学项目经理JoeQiu表示：“这项新突破将有可能使新型基于石墨烯的红外探测器具有更高的灵敏度。”这些新的探测器可能会在夜视等领域应用，这在军事上至关重要。”

参考：BingchenDengetal.Strongmid-infraredphotoresponseinsmall-twist-anglebilayergraphene,NaturePhotonics().DOI:10./s---7量子认知

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