特別說明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨米測(cè)MeLab
編輯丨風(fēng)云
研究背景
二維材料是一種變革性的新材料，并且可以通過柵壓和堆疊改變材料性質(zhì)。比如，通過再二維材料中引入轉(zhuǎn)角，人們發(fā)現(xiàn)了新型的超導(dǎo)材料。近年來，更是由轉(zhuǎn)角二維材料發(fā)展出了“轉(zhuǎn)角電子學(xué)”（twistronics）和“轉(zhuǎn)角光子學(xué)“（twistoptics）等研究領(lǐng)域。
關(guān)鍵問題
轉(zhuǎn)角二維材料的研究主要面臨以下困境：
1、傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移方法難以重復(fù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)堆疊二維材料的構(gòu)建
盡管大多數(shù)新物理都與轉(zhuǎn)角相關(guān)，而然至今為止卻沒有一種方法實(shí)現(xiàn)能動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)角調(diào)控。二維材料的每個(gè)堆疊配置都是獨(dú)特且不可重新配置的，這導(dǎo)致對(duì)堆疊參數(shù)的探索變得困難，許多結(jié)論僅基于少量樣本得出。隨著堆疊結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化，研究人員對(duì)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角調(diào)控的需求也日益增加。
2、基于掃描顯微鏡平臺(tái)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角技術(shù)昂貴且適用性低
盡管近年來有研究開發(fā)了基于掃描顯微鏡平臺(tái)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角技術(shù)，但其設(shè)備昂貴，體積大，且專業(yè)化程度高，因此不能被廣泛應(yīng)用于各個(gè)實(shí)驗(yàn)室。迄今為止，還沒有一種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)原位轉(zhuǎn)角的控制。
新思路
有鑒于此，哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系博士后研究員Haoning Tang，加州伯克利大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)系Yuan Cao教授, 哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系 Amir Yacoby教授以及Eric Mazur教授等人引入了一種采用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的二維材料 單片平臺(tái)，該平臺(tái)具有可以動(dòng)態(tài)調(diào)控轉(zhuǎn)角并進(jìn)行原位光學(xué)測(cè)量。該平臺(tái)由緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的微機(jī)電結(jié)構(gòu)組成，能夠精確地控制兩層二維材料之間的距離，可以進(jìn)行包括接近、旋轉(zhuǎn)和加壓等動(dòng)作。作者通過在轉(zhuǎn)角六方氮化硼 (h-BN) 的非線性光學(xué)磁化率中創(chuàng)建合成拓?fù)淦纥c(diǎn)來證明這項(xiàng)技術(shù)的強(qiáng)大功能，和在實(shí)時(shí)和寬范圍可調(diào)偏振的集成光源方向的應(yīng)用前景。此外，作者提出了一種能夠產(chǎn)生具有可調(diào)糾纏特性的糾纏光子對(duì)的方法。MEGA2D技術(shù)的真正力量仍在于基礎(chǔ)研究。通過MEGA2D技術(shù)，該研究相信許多在轉(zhuǎn)角石墨烯和許多范德瓦爾斯材料中的未解之謎將迎刃而解，并在此過程中帶來新的發(fā)現(xiàn)。
技術(shù)方案：
1、開發(fā)為轉(zhuǎn)角二維材料設(shè)計(jì)的微型機(jī)械
作者開發(fā)的MEGA2D平臺(tái)利用MEMS技術(shù)，能精確控制二維材料堆疊，保證其平整度和平行度，實(shí)現(xiàn)高度靈活性和可重復(fù)操作性，適用于多種材料和實(shí)驗(yàn)。
2、使用MEGA2D平臺(tái)測(cè)量莫爾非線性光學(xué)
作者通過SHG驗(yàn)證了MEGA2D平臺(tái)精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)h-BN層間距和扭轉(zhuǎn)角的精確調(diào)控，展現(xiàn)界面自清潔，機(jī)械性能和非線性光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量能力，證明了其在二維材料精確操控的巨大應(yīng)用潛力。
3、探索非線性光學(xué)中的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
作者表明MEGA2D平臺(tái)可利用合成維度精確操控二維材料非線性光學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)拓?fù)涔鈱W(xué)奇點(diǎn)和光學(xué)極化率的任意調(diào)控，為非線性光學(xué)應(yīng)用開拓新路徑。
4、展示了平臺(tái)在全斯托克斯可調(diào)諧經(jīng)典光源和量子光源設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用
作者表明，MEGA2D平臺(tái)通過調(diào)節(jié)層間距和扭轉(zhuǎn)角，可實(shí)現(xiàn)全斯托克斯偏振調(diào)控，為設(shè)計(jì)經(jīng)典和量子光源開辟新徑，推動(dòng)量子光學(xué)和光電子學(xué)發(fā)展。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、開發(fā)設(shè)計(jì)了連續(xù)調(diào)控和原位測(cè)量的單片平臺(tái)
作者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的MEGA2D平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維材料電壓的精確控制，這種設(shè)計(jì)不僅提供了前所未有的靈活性和準(zhǔn)確性，且兼容光學(xué)原位測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)二維材料的實(shí)時(shí)操作和控制。
2、展示了所開發(fā)技術(shù)在合成拓?fù)淦纥c(diǎn)的創(chuàng)建與應(yīng)用
作者展示了MEGA2D平臺(tái)通過控制扭曲六方氮化硼（h-BN）的非線性光學(xué)磁化率，成功創(chuàng)建了合成拓?fù)淦纥c(diǎn)，證明了平臺(tái)技術(shù)的先進(jìn)性，并為開發(fā)具有實(shí)時(shí)和寬范圍可調(diào)偏振的集成光源提供了關(guān)鍵技術(shù)。
技術(shù)細(xì)節(jié)
為轉(zhuǎn)角二維材料而設(shè)計(jì)的微型機(jī)械
MEGA2D平臺(tái)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)解決了獨(dú)立控制二維材料堆疊參數(shù)的兩大挑戰(zhàn)：控制旋轉(zhuǎn)角和層間距離的控制。該平臺(tái)采用MEMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在無需外部定位器的情況下保持初始間隙，并通過SU-8墊片和金字塔結(jié)構(gòu)保證二維材料層間的平整度和平行度。該平臺(tái)利用垂直平移或旋轉(zhuǎn)兩種驅(qū)動(dòng)模式，確保了二維材料間距離的穩(wěn)定性和傾斜精度。MEGA2D的優(yōu)勢(shì)在于其靈活性和可重復(fù)操作性，采用靜電機(jī)制實(shí)現(xiàn)精確控制，也適用于除了二維材料以外的其他材料。
圖 MEGA2D:用于轉(zhuǎn)角二維材料的片上MEMS平臺(tái)
莫爾非線性光學(xué)
MEGA2D平臺(tái)通過測(cè)量h-BN單晶的非線性二次諧波 (SHG) 驗(yàn)證了其精度。利用SHG對(duì)層間距和晶格取向的敏感性，觀察到接觸和層排列變化對(duì)SHG信號(hào)的顯著影響。實(shí)驗(yàn)中，通過MEGA2D器件調(diào)節(jié)h-BN薄片間距離，發(fā)現(xiàn)SHG信號(hào)隨距離發(fā)生顯著變化。此外，通過旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器，證明了二維界面的自清潔特性。MEGA2D還允許測(cè)量界面的機(jī)械性能，如范德華引力，以及通過SHG探測(cè)轉(zhuǎn)角h-BN的手性。該研究使用拉曼光譜進(jìn)一步證實(shí)了二維材料間接觸的密切性和轉(zhuǎn)角依賴的聲子耦合。這些結(jié)果展示了MEGA2D在精確控制二維材料堆疊和測(cè)量界面性質(zhì)方面的潛力。
圖 MEGA2D用于轉(zhuǎn)角h-BN的非線性光學(xué)探測(cè)和拉曼光譜
非線性光學(xué)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
MEGA2D平臺(tái)通過提供額外的操控參數(shù)，使得能夠在轉(zhuǎn)角二維材料中探索新的物理現(xiàn)象。在非線性光學(xué)中，通過MEGA2D平臺(tái)對(duì)h-BN非線性磁化率張量χ(2)進(jìn)行調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非線性偽自旋ψ的精確控制。通過調(diào)整層間距和扭轉(zhuǎn)角度，ψ在合成空間中表現(xiàn)出非平庸性質(zhì)，這種性質(zhì)類似于磁性材料中的自旋結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中，通過測(cè)量SHG功率作為線性偏振的函數(shù)，能夠探測(cè)ψ的方向，并識(shí)別出合成空間中的拓?fù)淦纥c(diǎn)。MEGA2D平臺(tái)的靈活性和精確性為設(shè)計(jì)具有特定χ(2)的有源光學(xué)堆棧提供了可能，為非線性光學(xué)的新應(yīng)用開辟了道路。
圖 在轉(zhuǎn)角h-BN非線性磁化率中的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光學(xué)奇點(diǎn)
面向可調(diào)諧量子光源
MEGA2D平臺(tái)的非線性磁化率可調(diào)性為設(shè)計(jì)全斯托克斯可調(diào)諧的光源提供了新途徑。在非線性二維材料中，通過調(diào)整層間距和扭轉(zhuǎn)角度，可實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的自由調(diào)控，突破了傳統(tǒng)非線性晶體的相位匹配限制。此外，該平臺(tái)的非線性偽自旋可調(diào)性為量子傳感和產(chǎn)生高純度糾纏光子對(duì)的SPDC過程提供了新方法。通過改變非線性張量χ(2)，可以調(diào)節(jié)糾纏光子的偏振和糾纏程度，為量子光學(xué)儀器的進(jìn)一步緊湊化和量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新道路。未來的MEGA2D設(shè)備有望實(shí)現(xiàn)更寬的調(diào)諧范圍和更高的SPDC效率，推動(dòng)量子光學(xué)和光電子學(xué)的發(fā)展。
圖 可調(diào)諧經(jīng)典和量子光源與MEGA2D
展望
總之，本工作介紹的MEGA2D平臺(tái)可以在傳統(tǒng)的電學(xué)輸運(yùn)和光學(xué)設(shè)置中探索大量的新方向。通過把二維材料堆疊的無限組合與MEGA2D提供的堆疊自由度控制相結(jié)合，人們可以加速對(duì)堆疊二維材料豐富相空間及其應(yīng)用的探索。此外，MEGA2D也適用于其他單晶薄膜材料，例如基于MEGA技術(shù)還可以與平面超材料(如光子晶體)集成。
作者簡(jiǎn)介
本文第一作者Haoning Tang本科畢業(yè)于香港科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)，博士畢業(yè)于哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系。她的主要研究方向是研究超材料和量子材料，非線性和量子光學(xué)，微機(jī)電系統(tǒng)，納米材料于納米制造技術(shù)等。Haoning Tang現(xiàn)為哈佛大學(xué)博士后研究員。她發(fā)表在Nature, Science Advances, Light, PRL, ACS Photonics, APL等多項(xiàng)成果受到光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。
本工作的完成單位為哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系及物理系，加州伯克利大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)系，斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系，麻省理工學(xué)院物理系，和日本國(guó)立材料研究所。哈佛大學(xué)Haoning Tang為論文第一作者，通訊作者為加州伯克利大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)系Yuan Cao助理教授、哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系A(chǔ)mir Yacoby 以及Eric Mazur教授。斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系Shanhui Fan教授，麻省理工學(xué)院物理系Pablo Jarillo-Herrero教授，和日本國(guó)立材料研究所Kenji Watanabe教授和 Takashi Taniguchi教授，哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系Xueqi Ni和Yiting Wang為本工作做出了重要貢獻(xiàn)。
