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上

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