MEGA2D：将材料科学推向未来的微型机器

现在，科学家们发明了一种新装置，可以轻松地调节超薄材料层之间的扭曲，有望在电子和光学领域取得重大进展。这可能会导致更好的晶体管和太阳能电池，并加强量子计算的研究。

六年前，一项突破性的发现彻底改变了凝聚态物理学：以微小角度堆叠的超薄碳层变成了超导体。通过调整两层之间的扭曲角度，研究人员发现他们可以控制材料的电性能。这一发现在2018年一篇关于“魔角石墨烯超晶格”的里程碑式论文中有详细介绍，它催生了一个被称为“涡旋电子学”的新领域。这项研究的第一作者是曹原（音译），当时是麻省理工学院的研究生，后来成为哈佛大学的初级研究员。

在这项开创性工作的基础上，曹原与哈佛物理学家Amir Yacoby、Eric Mazur和他们的同事一起开发了一种更有效的方法来操纵和研究各种材料，为进一步推进双电子学研究铺平了道路。

介绍MEGA2D：一个新的材料处理工具

发表在《自然》杂志上的一篇新论文描述了该团队的指甲大小的机器，它可以随意扭曲薄材料，取代了一个接一个制造扭曲设备的需要。薄的二维材料具有易于研究和操作的特性，对高性能晶体管、太阳能电池等光学器件和量子计算机等具有巨大的意义。

哈佛大学物理学和应用物理学教授Yacoby说：“这一发展使得扭曲像控制二维材料的电子密度一样容易。”“控制密度一直是在低维物质中发现物质新相的主要旋钮，现在，我们可以控制密度和扭曲角度，为发现开辟了无限的可能性。”

扭曲器件制造的挑战和突破

曹原是麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero实验室的一名研究生，他首次制作了扭曲的双层石墨烯。尽管这一成就令人兴奋，但复制实际扭曲的挑战使其有所缓和。

曹原解释说，当时，每个扭曲装置都很难生产，因此，既独特又耗时。为了用这些设备做科学研究，他们需要几十甚至几百个这样的设备。曹原说，他们想知道是否可以制造出“一种可以扭曲所有材料的设备” —— 一种可以随意扭曲两层材料的微型机器，从而消除了数百个独特样品的需要。他们称他们的新设备为基于MEMS（微机电系统）的二维材料通用驱动平台，简称MEGA2D。

扭曲电子学（Twistronics）的潜在应用和未来

Yacoby和Mazur实验室合作设计了这个新工具包，它可以推广到石墨烯和其他材料。

“通过我们的MEGA2D技术有了这个新的‘旋钮’，我们设想扭曲石墨烯和其他材料中的许多潜在难题可以轻而易举地解决，”曹原说，他现在是加州大学伯克利分校的助理教授。“它肯定还会带来其他新的发现。”

在论文中，研究人员用两片六方氮化硼（石墨烯的近亲）展示了他们的装置的实用性。他们能够研究双层装置的光学特性，找到具有令人垂涎的拓扑特性的准粒子的证据。

他们的新系统的易用性开辟了几条科学道路，例如，使用六方氮化硼双电子学来生产可用于低损耗光通信的光源。

曹原说：“我们希望我们的方法能被这个繁荣领域的许多其他研究人员采用，所有人都能从这些新能力中受益。”

从概念到现实：开发MEGA2D

这篇论文的第一作者是纳米科学和光学专家唐浩宁（音译），他是Mazur实验室的博士后研究员，也是哈佛量子计划的成员，他指出，开发MEGA2D技术是一个长期的试验和错误的过程。

她说：“我们不太了解如何实时控制二维材料的界面，现有的方法也无法做到这一点。”“在无尘室花了无数个小时，改进了MEMS设计 —— 尽管多次尝试失败 —— 经过大约一年的实验，我们终于找到了可行的解决方案。”所有的纳米制造都在哈佛大学的纳米系统中心进行，那里的工作人员提供了宝贵的技术支持。

对光学和光子学的启示

Balkanski物理学和应用物理学教授Mazur说：“将MEMS技术与双层结构相结合的设备的纳米模具是名副其实的杰作。”“能够调节最终设备的非线性响应，为光学和光电子领域的全新设备打开了大门。”

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