研究扭曲石墨烯層的NIST 研究人員推出了一把”量子尺”，用於研究這種材料的獨特性質。被稱為石墨烯的單原子厚的碳薄片本身就具有非凡的特性。然而，如果將這種二維材料的多個薄片堆疊起來，情況就會變得更加有趣。當兩片或多片石墨烯疊在一起時，會出現視線錯位–以一定的角度相對扭曲–它們會呈現出大量奇特的特性。

插圖描述了NIST 團隊在實驗中使用的兩層石墨烯（兩個雙層），用於研究摩爾紋量子材料的一些奇特性質。左側插圖是兩個雙層石墨烯部分的俯視圖，顯示了當一個雙層石墨烯相對於另一個雙層石墨烯扭轉一個小角度時形成的摩爾紋。資料來源：B. Hayes/NIST

根據扭曲角度的不同，這些被稱為摩爾量子物質的材料可以突然產生自己的磁場，成為零電阻的超導體，或者相反，變成完美。

約瑟夫-A-斯特里西奧（Joseph A. Stroscio）和他在美國國家標準與技術研究院（NIST）的同事以及一個國際合作團隊開發了一種”量子尺”，用於測量和探索這些扭曲材料的奇異特性。這項工作還可能帶來一種新的、微型化的電阻標準，可以直接在工廠車間校準電子設備，而無需將它們送到異地的標準實驗室。

來自維吉尼亞州費爾法克斯喬治梅森大學的物理學家費雷什特-加哈里（Fereshte Ghahari）是這項研究的合作者，他利用兩層直徑約20微米的石墨烯（稱為雙層石墨烯），相對於另兩層石墨烯進行扭曲，製造出了一個摩爾量子物質裝置。加哈里利用NIST 奈米科學與技術中心的奈米加工設備製造了這個裝置。

隨後，NIST 研究人員馬魯-斯洛特（Marlou Slot）和尤利婭-馬克西門科（Yulia Maximenko）將這種扭曲的材料裝置冷卻到絕對零度以上的百分之一，從而減少了原子和電子的隨機運動，提高了材料中電子相互作用的能力。達到超低溫後，他們研究了改變強外部磁場強度時石墨烯層中電子的能階如何變化。測量和操縱電子的能階對於設計和製造半導體裝置至關重要。

這幅摩爾紋量子材料中一個點的放大圖描繪了電子（右邊的紅點和藍點）的階梯狀能階。階梯的背景類似於圖紙能量，顯示測量到的能階可以作為一種量子尺來確定材料的電學和磁學特性。來源：NIST/B. 海耶斯

電子運動和能階

為了測量能階，研究小組使用了斯特里西奧在NIST 設計和製造的多功能掃描穿隧顯微鏡。當研究人員在磁場中對石墨烯雙層膜施加電壓時，顯微鏡會記錄從材料”穿隧”到顯微鏡探針尖端的電子所產生的微小電流。

在磁場中，電子以圓形軌跡運動。通常，固體材料中電子的圓形軌道與外加磁場有著特殊的關係： 由於電子的量子特性，每個圓形軌道所包圍的面積乘以外加磁場，只能得到一組固定的離散值。為了保持固定的乘積，如果磁場減半，那麼電子軌道所包圍的面積就必須增加一倍。

遵循此規律的連續能階之間的能量差，就像尺上的刻度線一樣，可以用來測量材料的電子和磁性。任何與此模式的細微偏差都代表著一種新的量子標尺，可以反映出研究人員正在研究的特定量子摩爾紋材料的軌道磁特性。

發現與影響

事實上，當NIST 的研究人員改變施加在摩爾紋石墨烯雙層膜上的磁場時，他們發現了新量子標尺發揮作用的證據。電子圓形軌道所包圍的面積乘以外加磁場不再等於一個固定值。相反，這兩個數字的乘積發生了偏移，偏移量取決於雙層石墨的磁化程度。

這種偏差轉化為電子能階的一組不同刻度線。這些發現有望為我們揭示局限在石墨烯扭曲薄片中的電子如何產生新的磁性帶來新的啟示。

斯特里西奧說：”利用新的量子標尺來研究圓形軌道如何隨磁場變化，我們希望能揭示這些摩爾紋量子材料的微妙磁特性。”

量子摩爾材料中的電子被一個形狀像雞蛋盒的電位所困住；電子集中在雞蛋盒的山谷（低能態）。資料來源：S. Kelley/NIST

在摩爾量子材料中，電子具有一系列可能的能量–高能和低能，形狀就像雞蛋盒–這是由材料的電場決定的。電子集中在紙盒的低能態或谷。NIST 理論物理學家 Paul Haney）說，雙層石墨烯中的谷之間的間距很大，大於任何單層石墨烯或未扭曲的多層石墨烯中的原子間距，這也是研究小組發現的一些不尋常磁性的原因。

研究人員，包括來自馬裡蘭大學學院帕克分校和聯合量子研究所（NIST 與馬裡蘭大學的合作研究機構）的同事，在《科學》雜誌上介紹了他們的工作。

未來前景與應用

由於摩爾量子物質的特性可以透過選擇特定的扭轉角度和原子薄層的數量來實現，因此新的測量結果有望讓人們更深入地了解科學家如何定制和優化量子材料的磁性和電子特性，以滿足微電子學和相關領域的大量應用需求。例如，人們已經知道超薄超導體是非常靈敏的單光子偵測器，而量子摩爾超導體則是最薄的超導體之一。

NIST 團隊也對另一種應用感興趣： 在適當的條件下，摩爾量子物質可以提供一種新的、更易於使用的電阻標準。

目前的標準是基於一種材料在二維層中的電子受到強磁場作用時所產生的離散電阻值。這種現象稱為量子霍爾效應，源自於上文討論的電子在圓形軌道上的量子化能階。離散電阻值可用於校準各種電氣設備中的電阻。不過，由於需要強大的磁場，校準只能在NIST 等計量設施中進行。

斯特里西奧說，如果研究人員能操縱量子摩爾物質，使其在沒有外加磁場的情況下也能產生淨磁化，那麼就有可能利用它來創建一種新的便攜式最精確電阻標準，即反常量子霍爾電阻標準。電子設備的校準可在製造現場進行，從而節省數百萬美元。