Nature | 哈佛大学27岁“天才少年”曹原:二维材料在MEMS器件中创新平台及其潜在应用!

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查看3178 | 回复0 | 2024-8-22 13:46:34 |阅读模式
研究背景
二维材料(2DM)是一类具有优异电学和光学可调性的新型材料,因其在静电栅控和范德华堆叠调节方面的潜力,成为了当前材料科学领域的研究热点。尽管静电栅控作为一种成熟的操控手段,已广泛应用于调控2DM的性质,但在实际操作中,实时控制这些材料的界面性质仍然面临挑战,特别是在探索二维材料物理和发展先进量子器件技术时。这种局限性主要源于现有方法的不足,如依赖扫描显微镜进行操作,无法在器件级别实现广泛的应用和扩展。
研究内容
有鉴于此,哈佛大学Eric Mazur, Amir Yacoby & 曹原团队在“Nature”期刊上发表了题为“On-chip multi-degree-of-freedom control of two-dimensional materials”的最新论文。科学家们提出了一种基于微机电系统(MEMS)的芯片上平台,旨在提供一种更为通用且高效的二维材料操控方法。这一平台能够精确地控制2DM的堆叠与扭转,突破了传统方法的限制。通过该技术,研究人员成功在扭曲的六方氮化硼(h-BN)中创建了合成拓扑奇点,并展示了实时调控光学偏振的应用潜力。这一研究成果不仅拓展了二维材料的操控技术,还为凝聚态物理学和量子光学等领域带来了新的研究方向。
图文解读
1. 实验首次利用微机电系统(MEMS)平台实现二维材料(2DM)现场可调的界面性质,开发了一种名为MEGA2D的平台,能够通过电压控制实现对2DM的接近、扭转和加压操作。这一平台不仅紧凑且具有成本效益,展示了在非线性光学易感性中创建合成拓扑奇点(如梅伦)的能力。

2. 实验通过使用MEGA2D平台,成功在扭曲的六方氮化硼(h-BN)中实现了实时和宽范围可调的光源偏振,并预测了可以生成具有可调纠缠性质的纠缠光子对的量子类似物。该研究不仅扩展了操控低维量子材料的现有技术能力,还为开发新型混合二维和三维器件,尤其是在凝聚态物理学和量子光学领域,提供了新的技术路径和理论基础。

图 1 | MEGA2D,一种用于扭转二维材料的芯片上MEMS平台。

图 2 | 使用MEGA2D调节的扭曲h-BN的非线性光学探测和拉曼光谱。

图 3 | 在扭曲的h-BN中实现的合成梅伦(半斯克雷明)的实验。

图 4 | 具有MEGA2D的可调经典和量子光源。
结论展望
本文提出的基于微机电系统(MEMS)的芯片上平台(MEGA2D)为二维材料(2DM)的操控带来了革命性的新方法,突破了传统方法的局限性。通过精确的电压控制,MEGA2D能够在纳米尺度上实时调节2DM的界面性质,包括接近、扭转和加压等操作。这一技术不仅实现了对2DM堆叠结构的现场可控性,还扩展了二维材料在凝聚态物理学、量子光学等领域的应用前景。尤其是,MEGA2D平台的高度兼容性和可扩展性使其能够轻松集成到现有实验设备中,降低了先进材料研究的门槛,为更广泛的科研团体提供了强大的工具。此外,本文预测的量子纠缠光子对生成技术,展示了MEMS技术在量子器件开发中的潜力,开辟了低维量子材料研究的新方向。

该工作发表在Nature
文章链接(点击“阅读原文”):https://www.nature.com/articles/s41586-024-07826-x

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