通過扭曲和堆疊原子級薄層可合成新材料。來自美國加州大學和新加坡南洋理工大學的物理學家提出將這一研究領域稱爲“電子量子超材料”。

當兩個原子級薄的二維層堆疊在一起並且一個層相對於第二層旋轉時，它們開始產生圖案，熟悉的莫列波紋。這兩個層都不能自己生成並且促進光和電子的通過，而允許出現不尋常現象的材料。例如，當兩個石墨烯層重疊並且它們之間的角度爲1.1度時，材料變成超導體。

加州大學河濱分校的物理和天文學系副教授納Nathaniel Gabor說：“這有點像開車經過一個葡萄園，看着窗外的葡萄園排列。時不時地，你看到沒有排列，因爲你正在直視一排。這類似於當兩個原子層堆疊在一起時會發生的情況。在某些扭轉角度下，一切都在能量上得到允許。它恰好增加了能量傳遞的有趣可能性。”

這是通過扭曲和堆疊原子薄層合成的新材料的未來，並且仍處於“鍊金術”階段。他和新加坡南洋理工大學的物理學家Justin CW Song將這一切都集中在一個角度下，他們提出這個研究領域被稱爲“電子量子超材料”，並剛剛在《Nature Nanotechnology》發表了一篇文章。

Gabor補充說：“我們強調工程合成週期陣列的潛力，其特徵尺寸低於電子波長。這種工程允許以不尋常的方式操縱電子，從而產生一系列具有非常規響應的合成量子超材料。”

超材料是一類經過精心設計的材料，可以產生不天然存在的特性。例子包括光學隱形裝 置和類似於燈塔使用的菲涅耳透鏡的超級透鏡。大自然也存在這樣的技術，例如，在蝴蝶翅膀的獨特着色中，在光子穿過納米級結構時操縱光子。

Gabor說：“然而，與幾乎不相互作用的光子不同，亞波長結構超材料中的電子帶電，並且它們強烈相互作用。結果是產生了各種各樣的突現現象和極其新的相互作用的量子超材料。”

Gabor和Song受《Nature Nanotechnology》邀請撰寫評論文章。但兩人選擇深入研究，並列出可能解釋電子量子超材料研究的基礎物理學。他們寫了一篇綜述，設想了該領域的現狀並討論了它的未來。

Gabor指導UCR的量子材料光電子實驗室，他說：“包括在我們自己的實驗室中的研究人員正在探索各種超材料，但沒有人給這個領域提供過一個名字。這是我們寫作這一文章的意圖。現在是時候將它全部集中在一起併爲研究人員分類未來的工作提供了一個路線圖。”

Gabor和Song收集了電子超材料的早期例子，並從中提煉出電子控制的新興設計策略。他們寫道，當亞波長結構樣本中的電子相互作用以表現出意想不到的緊急行爲時，新領域最有希望的方面之一就出現了。

Gabor說：“出現的扭曲雙層石墨烯的超導性行爲令人驚訝，它顯著地表明，電子相互作用和亞波長特徵如何在量子超材料中共同作用以產生全新的現象。這樣的例子爲電子超材料描繪了令人興奮的未來。到目前爲止，我們只爲許多新工作奠定了舞臺。”

參考來源：美國加州大學河濱分校

文獻鏈接：Justin C. W. Song, Nathaniel M. Gabor. Electron quantum metamaterials in van der Waals heterostructures. Nature Nanotechnology, 2018; DOI: 10.1038/s41565-018-0294-9

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