威斯康星大學麥迪遜分校的科學家發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以控制僅一個原子厚的扭曲的微觀螺旋的生長。由威斯康星大學麥迪遜分校化學系宋金帶領的團隊建立的不斷扭曲的二維材料堆棧，創(chuàng)造了科學家可以用來研究納米級量子物理學的新特性。研究人員今天在《科學》雜志上發(fā)表了他們的工作。

“這是2D材料研究的當前前沿。在過去的幾年中，科學家們意識到，當您在原子層之間(通常為幾度)進行小的扭轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生非常有趣的物理特性，例如非常規(guī)的超導性。例如，扭曲的材料在低溫下會完全失去其電阻。” Jin說道。“研究人員考慮了這些二維量子材料，并將這種工作稱為'twistronics'。”

研究生和該研究的第一作者趙玉洲說，制造扭曲的二維結構的標準做法是將兩片薄材料彼此機械堆疊，并用手小心地控制它們之間的扭曲角度。但是，當研究人員直接生長這些二維材料時，由于層之間的相互作用非常弱，因此它們無法控制扭曲角。

金說：“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的團隊發(fā)現(xiàn)了如何通過在歐幾里得幾何的平坦空間之外思考來控制這些扭曲的納米級結構的生長的方法。

歐幾里得幾何學構成了我們熟悉的世界的數(shù)學基礎。它使我們能夠以平面，直線和直角來思考世界。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。像愛因斯坦的廣義相對論那樣，解釋時空連續(xù)體的科學理論使用非歐幾里得幾何作為基石。金說，對歐幾里得幾何學之外的晶體結構的思考開辟了新的可能性。

趙和金通過利用一種生長在晶體中的缺陷(稱為螺旋位錯)來制造扭曲的螺旋。Jin多年來研究了這種由位錯驅(qū)動的晶體生長，并用它來解釋例如納米線樹的生長。在二維材料中，位錯為結構的后續(xù)各層提供了提升，因為它像停車坡道一樣螺旋旋轉(zhuǎn)，整個堆疊中的所有層都連接在一起，從而對齊了每一層的方向。

然后，為了生長非歐幾里德螺旋結構并使螺旋扭曲，Jin的團隊改變了螺旋生長的基礎。Zhao沒有在平坦的平面上生長晶體，而是在螺旋的中心下方放置了一個納米粒子，例如氧化硅粒子。在生長過程中，粒子破壞了平面，并為2D晶體生長提供了彎曲的基礎。

該團隊發(fā)現(xiàn)的是，二維晶體不是連續(xù)排列的螺旋狀結構，螺旋狀結構的每一層的邊緣與上一層平行，而是連續(xù)不斷地扭曲，多層螺旋狀可預測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晶體和生長在其上的彎曲(非歐幾里德)表面之間的不匹配引起的。

趙稱這種模式，即螺旋結構直接在納米顆粒上生長，形成一個圓錐形的底部，即“固定螺旋”。當結構在偏心的納米粒子上生長時，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)曲面的幾何形狀開發(fā)了一個簡單的數(shù)學模型來預測螺旋的扭曲角度，并且他建模的螺旋形狀與生長的結構很好地匹配。

最初發(fā)現(xiàn)后，威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程學教授保羅·沃伊爾斯(Paul Voyles)和他的學生張晨宇在電子顯微鏡下研究了螺旋，以確認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期的重疊干涉圖樣，稱為莫爾條紋(moirépattern)，這也使精細的絲綢服裝具有光澤和波紋。榮譽化學教授約翰·賴特(John Wright)和他的實驗室進行了初步研究，表明潛在的扭曲螺旋光學特性。

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

“我們現(xiàn)在可以遵循一個植根于數(shù)學的理性模型，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。

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，金和他的合作者正在對此進行認真的研究。

“當您看到所有內(nèi)容都與簡單的數(shù)學模型完全匹配，并且您想，'哇，這真的行得通'時，那種喜悅就是我們致力于研究的原因-您意識到自己正在學習的'尤里卡'時刻以前沒有人了解的東西。”金說。