物理學家們開發出了一種精確排列超級漩渦晶格的技術，徹底改變了下一代摩爾量子物質的發展潛力。新加坡國立大學（NUS）的物理學家開發出一種技術，利用一套黃金法則精確控制超漩渦晶格的排列，為下一代摩爾量子物質的發展鋪平了道路。

時鐘模型顯示了時針（頂部hBN）、分針（中間石墨烯）和秒針（底部hBN）之間的旋轉排列。頂部石墨烯、中部石墨烯和底部石墨烯的組合在時鐘中心形成了超漩渦晶格結構。資料來源：新加坡國立大學

超級摩爾紋

當兩個完全相同的周期性結構重疊在一起，它們之間有一個相對的扭轉角，或者兩個不同的周期性結構重疊在一起，但有或沒有扭轉角時，就會形成摩爾紋。扭轉角是指兩種結構的晶體學取向之間的夾角。例如，當石墨烯和六方氮化硼（hBN）這兩種層狀材料相互疊加時，兩種結構中的原子並不完全對齊，從而產生一種干涉條紋圖案，稱為摩爾紋。這就產生了電子重構。

石墨烯和氫化硼中的摩爾紋已被用於創造具有奇特性質的新結構，如拓撲電流和霍夫斯塔特蝴蝶態。當兩個摩爾紋疊加在一起時，就會產生一種稱為超摩爾紋晶格的新結構。與傳統的單一摩爾紋材料相比，這種超級摩爾紋晶格擴大了可調材料特性的範圍，從而有可能應用於更多領域。

新加坡國立大學物理系的成果

新加坡國立大學物理系Ariando 教授領導的研究團隊開發了一種技術，並成功實現了hBN/ 石墨烯/hBN 超漩渦晶格的受控排列。這項技術可以精確地排列兩個摩爾紋圖案，一個在另一個之上。同時，研究人員還制定了”黃金三法則”，以指導如何使用他們的技術來創建超級漩渦晶格。

研究成果最近發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上。

石墨烯與頂層六方氮化硼（T-hBN）和底層六方氮化硼（B-hBN）之間形成的具有扭曲角度（θt 和θb）的超漩渦晶格的藝術圖解。輕微的錯位導致了超漩渦晶格圖案的形成。來源：《自然-通訊

挑戰與解決方案

創建石墨烯超褶皺晶格面臨三大挑戰。首先，傳統的光學配准在很大程度上依賴於石墨烯的直邊，但要找到合適的石墨烯薄片費時費力；其次，即使使用直邊石墨烯樣品，由於其邊緣手性和晶格對稱性的不確定性，獲得雙配準超oiré晶格的概率也很低，只有1/8。第三，雖然可以確定邊緣手性和晶格對稱性，但對齊誤差往往很大（大於0.5 度），因為對齊兩種不同的晶格材料具有物理挑戰性。

研究論文的第一作者胡俊雄博士說：”我們的技術有助於解決現實生活中的問題。許多研究人員告訴我，製作一個樣品通常需要近一周的時間。有了我們的技術，他們不僅可以大大縮短製作時間，還能大大提高樣品的精確度”。

技術見解

科學家們首先使用”30°旋轉技術”來控制頂部氫化硼和石墨烯層的對齊。然後，他們使用”翻轉技術”來控制頂部hBN 層和底部hBN 層的對齊。基於這兩種方法，他們可以控制晶格對稱性並調整石墨烯超漩渦晶格的帶狀結構。他們還證明，鄰近的石墨邊緣可以作為堆疊排列的導向。在這項研究中，他們製作了20 個摩爾紋樣品，精度優於0.2 度。

Ariando 教授說：”我們已經為我們的技術確立了三條黃金法則，這可以幫助二維材料界的許多研究人員。許多研究其他強相關係統（如魔角扭曲雙層石墨烯或ABC 堆積多層石墨烯）的科學家也有望從我們的工作中受益。通過這一技術改進，我希望能加速下一代摩爾量子物質的發展。”

未來的努力

目前，研究團隊正在利用這項技術製造單層石墨烯超漩渦晶格，探索這種材料體系的獨特性質。此外，他們還在將目前的技術推廣到其他材料系統，以發現其他新奇的量子現象。