科学家发现新的量子尺来探索奇异物质

插图描绘了NIST团队在实验中使用的两个双层（两个双层）石墨烯，以研究莫尔量子材料的一些奇特特性。 左侧的插图提供了两个双层的一部分的顶层视图，显示了当一个双层相对于另一个双层以小角度扭曲时形成的摩尔纹图案。资料来源：B. Hayes/NIST

被称为石墨烯的单原子厚的碳片本身具有显着的特性，但是当您堆叠多张碳片时，事情会变得更加有趣。

当两个或多个重叠的石墨烯片在视觉上错位时 - 相对于彼此以特定角度扭曲 - 它们具有过多的奇异身份。根据扭转角度的不同，这些被称为莫尔量子物质的材料可以突然产生自己的磁场，成为零电阻的超导体，或者相反，变成完美的绝缘体。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的Joseph A. Stroscio及其同事以及一个国际合作者团队开发了一种“量子尺”来测量和探索这些扭曲材料的奇怪特性。这项工作还可能导致一种新的小型化电阻标准，可以直接在工厂车间校准电子设备，而无需将它们送到场外标准实验室。

来自弗吉尼亚州费尔法克斯乔治梅森大学的物理学家Fereshte Ghahari将两层约20微米的石墨烯（称为双层石墨烯）相对于另外两层扭曲，以创建莫尔量子物质装置。Ghahari使用NIST纳米科学与技术中心的纳米制造设施制造了该设备。

NIST研究人员Marlou Slot和Yulia Maximenko随后将这种扭曲的材料装置冷却到绝对零度以上的百分之一度，减少了原子和电子的随机运动，并提高了材料中电子相互作用的能力。在达到超低温后，他们研究了石墨烯层中电子的能级在改变强外部磁场强度时如何变化。测量和操纵电子的能级对于设计和制造半导体器件至关重要。

为了测量能量水平，该团队使用了Stroscio在NIST设计和制造的多功能扫描隧道显微镜。当研究人员在磁场中对石墨烯双层施加电压时，显微镜记录了来自电子的微小电流，这些电子从材料“隧穿”到显微镜探针尖端。

在磁场中，电子以圆形路径移动。通常，固体材料中电子的圆形轨道与外加磁场具有特殊关系：由于电子的量子性质，每个圆形轨道所包围的区域乘以外加磁场，只能取一组固定的离散值。

为了维持固定的乘积，如果磁场减半，那么轨道电子包围的面积必须加倍。遵循此模式的连续能级之间的能量差异可以像尺子上的刻度线一样用于测量材料的电子和磁性。与这种模式的任何细微偏差都将代表一种新的量子标尺，可以反映研究人员正在研究的特定量子莫尔材料的轨道磁特性。

云纹中的一个站点的爆炸;量子材料描绘了电子的梯状能级（右侧的红点和蓝点）。梯子的背景类似于方格纸能量，表明测量的能级可以用来确定材料的电学和磁学性质。

事实上，当NIST研究人员改变施加在摩尔石墨烯双层上的磁场时，他们发现了一种新的量子尺在起作用的证据。由电子圆形轨道乘以施加的磁场所包围的区域不再等于固定值。相反，这两个数字的乘积已经偏移了取决于双层磁化的程度。

这种偏差转化为一组不同的电子能级刻度线。这些发现有望为限制在扭曲的石墨烯片中的电子如何产生新的磁性提供新的线索。

“使用新的量子尺来研究圆形轨道如何随磁场变化，我们希望揭示这些莫尔量子材料的微妙磁性，”Stroscio说。

在摩尔量子材料中，电子具有一系列可能的能量 - 高和低，形状像鸡蛋盒 - 由材料的电场决定。电子集中在纸箱的较低能态或谷中。双层中山谷之间的大间距，比任何单层石墨烯或多层未扭曲的原子间距大，解释了该团队发现的一些不寻常的磁性，NIST理论物理学家Paul Haney说。

研究人员，包括马里兰大学帕克分校和NIST和马里兰大学研究伙伴关系联合量子研究所的同事，在《科学》杂志上描述了他们的工作。

量子摩尔纹中的电子;材料被形状像鸡蛋盒的电势捕获;电子集中在纸箱的谷（较低能量状态）中。

由于摩尔纹量子物质的性质可以通过选择特定的扭转角和原子薄层的数量来选择，因此新的测量有望更深入地了解科学家如何定制和优化量子材料的磁性和电子特性，以用于微电子和相关领域的许多应用。例如，众所周知，超薄超导体是单光子的灵敏探测器，而量子莫尔超导体是最薄的。

NIST团队还对另一种应用感兴趣：在适当的条件下，莫尔量子物质可以提供一种新的，更易于使用的电阻标准。

本标准基于当强磁场施加到二维层中的电子时材料所具有的离散电阻值。这种现象被称为量子霍尔效应，起源于上面讨论的圆形轨道中电子的相同量子化能级。离散电阻值可用于校准各种电气设备中的电阻。但由于需要巨大的磁场，校准只能在NIST等计量设施中进行。

Stroscio说，如果研究人员能够操纵量子莫尔物质，使其即使在没有外部施加磁场的情况下也具有净磁化，那么它就有可能被用来创建最精确的电阻标准的新便携式版本，称为异常量子霍尔电阻标准。电子设备的校准可以在制造现场进行，可能节省数百万美元。