威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以控制僅一個(gè)原子厚的扭曲的微觀螺旋的生長(zhǎng)。由威斯康星大學(xué)麥迪遜分?；瘜W(xué)系宋金帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)建立的不斷扭曲的二維材料堆棧，創(chuàng)造了科學(xué)家可以用來(lái)研究納米級(jí)量子物理學(xué)的新特性。研究人員今天在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的工作。

“這是2D材料研究的當(dāng)前前沿。在過(guò)去的幾年中，科學(xué)家們意識(shí)到，當(dāng)您在原子層之間(通常為幾度)進(jìn)行小的扭轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生非常有趣的物理特性，例如非常規(guī)的超導(dǎo)性。例如，扭曲的材料在低溫下會(huì)完全失去其電阻。” Jin說(shuō)道。“研究人員考慮了這些二維量子材料，并將這種工作稱(chēng)為'twistronics'。”

研究生和該研究的第一作者趙玉洲說(shuō)，制造扭曲的二維結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)做法是將兩片薄材料彼此機(jī)械堆疊，并用手小心地控制它們之間的扭曲角度。但是，當(dāng)研究人員直接生長(zhǎng)這些二維材料時(shí)，由于層之間的相互作用非常弱，因此它們無(wú)法控制扭曲角。

金說(shuō)：“想象一下要制造一堆不斷扭曲的撲克牌。如果您有靈活的手指，就可以扭曲紙牌，但我們面臨的挑戰(zhàn)是如何使原子層以可控的方式在納米尺度上自我扭曲。”

Jin的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了如何通過(guò)在歐幾里得幾何的平坦空間之外思考來(lái)控制這些扭曲的納米級(jí)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)的方法。

歐幾里得幾何學(xué)構(gòu)成了我們熟悉的世界的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。它使我們能夠以平面，直線和直角來(lái)思考世界。相反，非歐幾里得幾何形狀描述了彎曲的空間，其中的線是彎曲的，并且正方形中的角度之和不是360度。像愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論那樣，解釋時(shí)空連續(xù)體的科學(xué)理論使用非歐幾里得幾何作為基石。金說(shuō)，對(duì)歐幾里得幾何學(xué)之外的晶體結(jié)構(gòu)的思考開(kāi)辟了新的可能性。

趙和金通過(guò)利用一種生長(zhǎng)在晶體中的缺陷(稱(chēng)為螺旋位錯(cuò))來(lái)制造扭曲的螺旋。Jin多年來(lái)研究了這種由位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)的晶體生長(zhǎng)，并用它來(lái)解釋例如納米線樹(shù)的生長(zhǎng)。在二維材料中，位錯(cuò)為結(jié)構(gòu)的后續(xù)各層提供了提升，因?yàn)樗裢＼?chē)坡道一樣螺旋旋轉(zhuǎn)，整個(gè)堆疊中的所有層都連接在一起，從而對(duì)齊了每一層的方向。

然后，為了生長(zhǎng)非歐幾里德螺旋結(jié)構(gòu)并使螺旋扭曲，Jin的團(tuán)隊(duì)改變了螺旋生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。Zhao沒(méi)有在平坦的平面上生長(zhǎng)晶體，而是在螺旋的中心下方放置了一個(gè)納米粒子，例如氧化硅粒子。在生長(zhǎng)過(guò)程中，粒子破壞了平面，并為2D晶體生長(zhǎng)提供了彎曲的基礎(chǔ)。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的是，二維晶體不是連續(xù)排列的螺旋狀結(jié)構(gòu)，螺旋狀結(jié)構(gòu)的每一層的邊緣與上一層平行，而是連續(xù)不斷地扭曲，多層螺旋狀可預(yù)測(cè)地從一層扭曲到下一層。層間扭曲的角度是由平面(歐幾里得)2-D晶體和生長(zhǎng)在其上的彎曲(非歐幾里德)表面之間的不匹配引起的。

趙稱(chēng)這種模式，即螺旋結(jié)構(gòu)直接在納米顆粒上生長(zhǎng)，形成一個(gè)圓錐形的底部，即“固定螺旋”。當(dāng)結(jié)構(gòu)在偏心的納米粒子上生長(zhǎng)時(shí)，就像在山坡上建造的房屋一樣，這就是“未固定的螺旋”圖案。Zhao根據(jù)曲面的幾何形狀開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)螺旋的扭曲角度，并且他建模的螺旋形狀與生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)很好地匹配。

最初發(fā)現(xiàn)后，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校材料科學(xué)與工程學(xué)教授保羅·沃伊爾斯(Paul Voyles)和他的學(xué)生張晨宇在電子顯微鏡下研究了螺旋，以確認(rèn)這些螺旋中原子的排列。他們的圖像顯示，相鄰扭曲層中的原子形成了預(yù)期的重疊干涉圖樣，稱(chēng)為莫爾條紋(moirépattern)，這也使精細(xì)的絲綢服裝具有光澤和波紋。榮譽(yù)化學(xué)教授約翰·賴(lài)特(John Wright)和他的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了初步研究，表明潛在的扭曲螺旋光學(xué)特性。

研究人員使用過(guò)渡金屬二鹵化物作為扭曲螺旋的層，但是這個(gè)概念并不依賴(lài)于特定的材料，只要它們是二維材料即可。

“我們現(xiàn)在可以遵循一個(gè)植根于數(shù)學(xué)的理性模型，以創(chuàng)建這些二維層的堆棧，并在每一層之間具有可控制的扭轉(zhuǎn)角，并且它們是連續(xù)的，”趙說(shuō)。

扭曲的二維材料的直接合成將使人們能夠研究這些二維的“雙極電子”材料中的新型量子物理學(xué)，金和他的合作者正在對(duì)此進(jìn)行認(rèn)真的研究。

“當(dāng)您看到所有內(nèi)容都與簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型完全匹配，并且您想，'哇，這真的行得通'時(shí)，那種喜悅就是我們致力于研究的原因-您意識(shí)到自己正在學(xué)習(xí)的'尤里卡'時(shí)刻以前沒(méi)有人了解的東西。”金說(shuō)。