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由单层碳原子以六边形蜂窝状连接的碳原子组成，石墨烯的结构简单而又看似精致。自从年石墨烯被发现以来，科学家们发现，其实石墨烯的强度非常高。而且，虽然石墨烯不是金属，但它的超高速导电性能比大多数金属都要好。

年，由PabloJarillo-Herrero和YuanCao领导的麻省理工学院的科学家们发现，当两片石墨烯以略微偏移的魔力角度堆叠在一起时，这种新的扭曲石墨烯结构既可以成为绝缘体，完全阻断电流通过该材料，也可以矛盾地成为超导体，能够让电子无阻力地飞过。这是一个巨大的发现，帮助启动了一个新的领域，即twistronics，即研究扭曲石墨烯和其他材料中的电子行为。

现在，麻省理工学院团队在本周发表在《Nature》杂志上的两篇论文中，报告了他们在石墨烯扭曲电子学方面的最新进展。

在第一篇研究中，研究人员与魏茨曼科学研究所的合作者一起，首次对整个扭曲的石墨烯结构进行了成像和映射，其分辨率足够精细，以至于他们能够看到整个结构中局部扭曲角的微小变化。结果发现，在结构内的一些区域，石墨烯层之间的角度略微偏离了1.1度的平均偏移量。

该团队以0.度的超高角度分辨率检测到了这些变化。这相当于能够从一英里之外看到一个苹果与地平线的角度。

他们发现，相对于扭转角度范围较小的结构，角度变化范围较小的结构具有更明显的异形特性，如绝缘性和超导性，而扭转角度范围较宽的结构则具有更明显的异形特性。

这是第一次对整个器件进行映射，看看器件中某个给定区域的扭转角是什么，麻省理工学院物理学教授Jarillo-Herrero说。而且我们看到，可以有一点点的变化，仍然可以显示出超导和其他奇特的物理现象，但不能太多。我们现在已经定性了你可以有多少扭曲变化，以及有太多的扭曲变化会产生什么降解效应。

在第二项研究中，该团队报告说，他们创造了一种新的扭曲石墨烯结构，不是两层，而是四层石墨烯。他们观察到，与它的两层结构相比，新的四层魔力角结构对某些电场和磁场更敏感。这表明，研究人员或许能够更容易、更可控地研究四层体系中的魔角石墨烯的奇特性能。

这两项研究的目的是为了更好地理解魔角孪生石墨烯器件令人困惑的物理行为，麻省理工学院的研究生曹说。一旦理解了这些器件，物理学家相信这些器件可以帮助设计和工程化新一代的高温超导体、量子信息处理的拓扑器件和低能技术。

自从Jarillo-Herrero和他的研究小组首次发现了魔角石墨烯，其他研究小组就抓住了观察和测量其特性的机会。几个小组已经利用扫描隧道显微镜，即STM，一种在原子水平上扫描表面的技术，对魔角结构进行了成像。然而，研究人员只能用这种方法扫描到魔角石墨烯的小斑块，最多只有几百平方纳米。

走遍整个微米级的结构来观察数百万个原子，这是STM不适合的，Jarillo-Herrero说。原则上是可以做到的，但需要大量的时间。

因此，该小组咨询了魏茨曼科学研究所的研究人员，他们开发了一种扫描技术，他们称之为扫描纳米SQUID，其中SQUID代表超导量子干涉器件。传统的SQUID类似于一个小的分叉环，其两半由超导材料制成，并由两个节点连接在一起。SQUID装在类似于STM的装置尖端周围，可以在微观尺度上测量流经该环的样品磁场。魏茨曼研究所的研究人员按比例缩小了SQUID设计，以感应纳米级的磁场。

当魔力角石墨烯被置于小磁场中时，由于形成了所谓的朗道能级，在整个结构中产生持久电流。这些朗道能级，以及由此产生的持久电流，对局部扭曲角非常敏感，例如，根据局部扭曲角的精确值，会产生不同幅度的磁场。这样一来，纳米SQUID技术就可以探测到1.1度以上的微小偏移区域。

事实证明，这是一项了不起的技术，它可以拾起1.1度以外的0.度的微小角度变化，Jarillo-Herrero说。这对于映射魔法角度的石墨烯非常好。该小组利用该技术绘制了两种魔角结构：一种是扭曲变化范围较小的，另一种是范围较广的。

我们将一块石墨烯片放在另一块石墨烯上面，类似于将保鲜膜放在保鲜膜上面，Jarillo-Herrero说。你会想到会有皱纹，而且两片片之间的区域会有一些扭曲，有的扭曲程度较低，就像我们在石墨烯中看到的那样。

他们发现，与扭曲变化范围较窄的结构相比，扭曲变化较多的结构具有更明显的异种物理学特性，比如超导性。

现在我们可以直接看到这些局部的扭曲变化，那么研究如何工程化扭曲角度的变化来实现器件中的不同量子相，可能会很有意思。Cao说。

可调谐的物理学

在过去两年里，研究人员对石墨烯和其他材料的不同构型进行了实验，看看以特定角度扭曲它们是否会带来奇特的物理行为。Jarillo-Herrero的研究小组想知道，如果他们将石墨烯的结构扩大，使其不是两层，而是四层石墨烯层相抵消，那么神奇的物理学中的神奇角度石墨烯的神奇物理学是否会成立。

自从石墨烯在近15年前被发现以来，关于石墨烯特性的大量信息已经被揭示出来，不仅仅是单层石墨烯，还可以在多层石墨烯中堆叠排列--这与你在石墨或铅笔芯中发现的结构类似。

双层石墨烯--两层相互成0度角--是一个我们很了解其特性的系统，Jarillo-Herrero说。理论计算表明，在双层石墨烯结构中，有趣的物理现象会发生的角度范围更大。因此，这种类型的结构在制作器件方面可能会更加宽容。

部分受这种理论上的可能性启发，研究人员构造了一种新的魔角结构，将一个石墨烯双层与另一个双层抵消1.1度。然后，他们将这种新的双层扭曲结构连接到电池上，施加电压，并测量了当他们将该结构放置在各种条件下，如磁场、垂直电场等条件下流过装置的电流。

就像由两层石墨烯制成的魔法角结构一样，这种新的四层结构表现出了奇特的绝缘行为。但独特的是，研究人员能够通过电场上下调节这种绝缘性能--这是两层魔角石墨烯无法做到的。

这个系统是高度可调谐的，这意味着我们有很多控制权，这将使我们能够研究单层魔角石墨烯无法理解的东西，Cao说。

这在该领域还很早期，Jarillo-Herrero说。就目前而言，物理学界还只是被它的现象所吸引。人们幻想着我们可以制造出什么样的器件，但意识到这还太早，我们对这些系统还有很多东西要学习。

论文标题为《Mappingthetwist-angledisorderandLandaulevelsinmagic-anglegraphene》。