研究人员发现扭曲的双层石墨烯可以“与光共舞”

导读：一个国际研究小组在《自然-物理学》上报告了当红外光照射时，光和电子如何在材料中协同运动。

一个国际研究小组在《自然-物理学》上报告了当红外光照射时，光和电子如何在材料中协同运动。当两层石墨烯一层放在另一层上面，并在它们之间扭曲一个非常小的角度时，就会形成一个"摩尔纹"，事实证明该系统的物理特性会发生巨大的变化。特别是，在1度的"神奇"角度附近，电子的速度急剧下降，有利于电子之间的相互作用。这种相互作用在扭曲的双层石墨烯中产生了一种新型的超导性和绝缘性相。

伴随着在过去三年中发现的许多其他迷人的特性，这种材料已被证明显示出极其丰富的物理现象，但最重要的是，它已被证明是一种易于控制的量子材料。现在，尽管这种碳制材料表现出了这种惊人的多样化状态，但扭曲的双层石墨烯和光之间的相互作用在理论层面上被证明具有迷人的结果，但到目前为止还没有实验能够明确显示这种相互作用是如何进行的。

在最近发表在《自然-物理学》上的一项工作中，ICFO的研究人员Niels Hesp、Iacopo Torre、David Barcons-Ruiz和Hanan Herzig Sheinfux在ICREA教授Frank Koppens的帮助下，与Pablo Jarillo-Herrero教授的研究小组合作，研究了石墨烯与光之间的关系。Pablo Jarillo-Herrero（麻省理工学院）、Marco Polini（比萨大学）、Efthimios Kaxiras（哈佛大学）、Dmitri Efetov（ICFO）和NIMS（日本）的研究小组合作，发现扭曲的双层石墨烯可用于引导和控制纳米级的光线。这是可能的，这要归功于光和材料中电子的集体运动之间的互动。

通过利用质子的特性，即电子和光作为一个相干的波一起运动，科学家们能够观察到质子在材料中的传播，同时被强烈地限制在材料中，直至纳米级。此外，通过观察材料中发生的不寻常的集体光学现象，他们能够理解电子的类型特殊属性。这种对局限在纳米级的传播光的观察，可以作为对气体和生物分子进行光学感应的平台。

为了获得这一发现的结果，该团队使用了一台近场显微镜，它可以以20纳米的空间分辨率探测光学特性，这一分辨率超越了衍射极限。简而言之，科学家们取了两层石墨烯，把它们一个放在另一个上面，同时把它们扭转到接近神奇的角度，然后在室温下，用红外光照亮材料的一个纳米级点。他们看到质子的行为与通常的质子非常不同，例如在金属或石墨烯中的质子，这种偏差与双层石墨烯的moiré超晶格中电子的特殊运动有关。

这项工作为在低温下对扭曲的双层石墨烯的奇异相位进行纳米光学研究奠定了第一块基石。特别是，它证明了扭曲的双层石墨烯是一种非凡的纳米光子材料，特别是由于它不需要外部电压就可以激发。