新興的扭轉電子學領域正在徹底改變人們對石墨烯等二維材料的認識，它通過改變扭轉角來改變二維材料的特性。哥倫比亞大學的一個研究小組利用石墨烯帶開發出了一種新技術，可以對這些角度進行更多控制，從而可以更精確地探索扭曲層的特性，並有可能在凝聚態物理學中開啟新的應用。

圖中灰色的石墨烯彎曲帶平鋪在另一片石墨烯薄片上。上面的石墨烯帶和下面的石墨烯片之間的扭轉角度在不斷變化。在某些地方，兩片石墨烯的原子晶格以0° 角對齊，而在另一些地方，兩片石墨烯的原子晶格相對扭曲了5° 之多。資料來源：哥倫比亞大學Cory Dean

認為自己對某種材料瞭如指掌？試著給它來個扭轉–字面上的扭轉。這就是凝聚態物理新興領域”扭曲物理”的主要理念。這一領域的研究人員通過微妙的變化–小到疊層之間的角度從1.1°變為1.2°–極大地改變了石墨烯等二維材料的特性。

例如，扭曲的石墨烯層已被證明具有單層石墨烯所沒有的特性，包括磁體、超導體或絕緣體，而這一切都源於層間扭曲角度的微小變化。

從理論上講，可以通過旋轉旋鈕來改變扭轉角，從而調配出任何特性。然而，哥倫比亞大學物理學家科里-迪恩（Cory Dean）認為，現實並非如此簡單。兩層扭曲的石墨烯可以變得像一種新材料，但人們還不太清楚這些不同特性的確切原因，也無法完全控制它們。

迪恩和他的實驗室開發出一種簡單的新製造技術，可以幫助物理學家更系統、更可重現地探究石墨烯和其他二維材料扭曲層的基本特性。他們在《科學》（Science）雜誌上撰文指出，他們使用石墨烯的長”帶”，而不是方形薄片，製造出的器件在扭轉角度和應變方面的可預測性和可控性都達到了新的水平。

石墨烯器件通常由原子般薄的石墨烯薄片組裝而成，薄片只有幾平方毫米。片狀石墨烯之間的扭曲角度是固定的，而且片狀石墨烯很難平滑地層疊在一起。

該論文的共同作者、博士後比亞克-傑森（Bjarke Jessen）說：”把石墨烯想像成’紗布’–當你把兩片石墨烯放在一起時，就會出現隨機的小褶皺和氣泡。這些氣泡和褶皺類似於薄片之間扭曲角度的變化，以及薄片之間產生的物理應變，可導致材料隨意彎曲和擠壓。所有這些變化都會產生新的行為，但在設備內部和設備之間卻很難控制。”

帶狀材料可以使一切變得平滑。實驗室的新研究表明，只需用原子力顯微鏡的尖端輕輕一推，就能將石墨烯帶彎曲成穩定的弧形，然後將其平放在第二層未彎曲的石墨烯層上。這樣，兩層石墨烯之間的扭轉角就會在整個裝置的長度範圍內產生從0° 到5° 的連續變化，應變均勻分佈，再也不會出現隨機氣泡或皺褶。

“我們不必再用10 個不同的角度製作10 個獨立的裝置來觀察會發生什麼，”博士後兼合著者Maëlle Kapfer 說。”而且，我們現在可以控制應變，這在以前的扭曲裝置中是完全沒有的。”

研究小組使用特殊的高分辨率顯微鏡來確認他們的設備有多均勻。有了這些空間信息，他們開發出了一種機械模型，可以根據彎曲帶的形狀預測扭轉角度和應變值。

第一篇論文的重點是表徵石墨烯帶以及其他可減薄至單層並堆疊在一起的材料的行為和特性。

迪恩指出：”迄今為止，我們嘗試過的每一種二維材料都能做到這一點。從這裡開始，實驗室計劃利用他們的新技術來探索量子材料的基本特性如何隨著扭曲角度和應變的變化而變化。例如，先前的研究表明，當扭曲角為1.1 時，兩層扭曲的石墨烯會像超導體一樣工作。”

然而，目前有各種不同的模型來解釋這個所謂的”魔力角”超導現象的起源，並預測了迄今為止難以穩定的其他魔力角。利用包含0° 至5° 之間所有角度的帶狀材料製成的設備，研究小組可以更精確地探索這種現象和其他現象的起源。

“我們正在做的事情就像量子煉金術：把一種材料變成另一種材料。傑森說：”我們現在有了一個平台，可以系統地探索這種現像是如何發生的。”