莫阿量子物質
石墨烯是一種由碳原子構成的超薄材料，其原子以六邊形的模式，連接成網格模式。這些只有單原子厚的二維（2D）材料，具有非凡的性能。
當將兩層或以上的石墨烯網格堆疊起來，並將它們相互扭轉一定角度時，這些材料就會呈現出許多的奇異特性。根據扭轉角度的不同，它們可以突然產生磁場，成為零電阻的超導體，或成為完美的絕緣體。這些經過了扭轉的石墨烯材料，也被稱為莫阿量子物質（moiré quantum matter）。
最近，一個國際研究團隊在《科學》雜誌上發表了一項新的研究，表明他們開發出了一種新的「量子標尺」（quantum ruler），可用於測量和探索這些莫阿量子物質的奇異特性。
新的量子標尺
在垂直磁場中，電子沿圓周運動。通常，固體材料中的電子的圓形軌道，與外加磁場之間存在一種特殊的關係：每個圓形軌道所包圍的面積乘以外加磁場，只能等於一組固定的離散值。或者說，這些電子佔據著被稱為朗道能級的離散能級。
為了讓這個乘積保持不變，如果磁場強度減半，那麼繞軌道運行的電子所包圍的面積必須翻倍。遵循這種模式的能級之間的差異，就可以像標尺上的刻度一樣，可以被用來測量材料的電子性質和磁性。一旦這種模式出現任何細微的偏差，都意味產生了一種新的量子標尺。在新的研究中，研究人員就發現了一種新的量子標尺在起作用的證據。
在實驗中，研究人員將一個直徑約20微米的雙層石墨烯相對於另外一個雙層石墨烯扭轉了1.74°，創造出了一種莫阿量子物質設備。隨後，他們將這個新創造的設備冷卻到僅比絕對零度高0.01度的超低溫，以此來減少原子和電子的隨機運動，提高材料中電子發生相互作用的能力。
這張圖描繪了在由兩個雙層石墨烯構成的莫阿量子材料中的電子的階梯狀能級（右邊的紅藍點），這些能級可以作為一種量子標尺來確定材料的電子性質和磁性。（圖/B. Hayes/NIST）
接著，研究人員觀測了當施加的外部磁場的強度發生變化時，石墨烯層中的電子能級會如何變化。他們利用多功能的掃描隧道顯微鏡，對電子能級進行了測量。當他們在磁場中對這些雙層石墨烯施加電壓時，顯微鏡記錄下了從材料「隧穿」到顯微鏡探針尖端的電子所產生的微小電流。
他們發現，電子的圓形軌道所包圍的面積乘以外加磁場不再等於一個固定的值，而是與固定值之間存在一定偏差，偏差的具體大小取決於雙層石墨烯的磁化強度。這種偏差可以被轉化為電子能級的一組新的標尺，有望揭示束縛在莫阿量子材料上的電子是如何產生新的磁性的。
莫阿量子物質中的電子被形狀像雞蛋盒的電勢所捕獲；電子集中在紙箱的谷底（較低的能態）。（圖/S. Kelley/NIST）
在莫阿量子材料中，電子有一系列可能的能量，它們高高低低，形狀宛若一個裝雞蛋的盒子，這些能量是由材料的電場決定的。電子集中在較低的能態，對應於雞蛋盒的低谷。在雙層石墨烯中，谷之間的間距，比任何單層石墨烯或多層但未經扭轉的石墨烯中的原子間距都要大，這一點可用於解釋研究團隊發現的莫阿量子物質的一些不尋常的磁性。
潛在應用
對莫阿量子物質的測量結果有望為科學家如何定製和最佳化量子材料的磁性和電子性質提供更深入的理解，這對於微電子和相關領域的大量應用都至關重要。
此外，研究團隊還對另一種應用十分感興趣，那就是在適當的條件下，莫阿量子物質可能提供一種新的、更容易使用的標準電阻，它可以直接在工廠車間對電子設備進行校準，無需被送往別處的標準實驗室。
目前的標準電阻是基於當強磁場作用於二維材料中的電子時，所產生的離散的電阻值。離散的電阻值可用於校準各種電氣設備的電阻。但是由於需要強大的磁場，校準只能在一些專門的計量設施中進行。
如果研究人員能夠操縱莫阿量子物質，使其即使在沒有施加外部磁場的情況下也具有淨磁化強度，那麼它就有可能被用來創造出這樣一種新的更加便攜的、精確的標準電阻。如此一來，電子設備的校準可以在生產現場進行，這能節省大量的經費。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.nist.gov/news-events/news/2023/10/twisted-science-nist-researchers-find-new-quantum-ruler-explore-exotic
#圖片來源：
封面圖&首圖：B. Hayes/NIST