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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

二维材料是一种变革性的新材料，并且可以通过栅压和堆叠改变材料性质。比如，通过再二维材料中引入转角，人们发现了新型的超导材料。近年来，更是由转角二维材料发展出了“转角电子学”（twistronics）和“转角光子学“（twistoptics）等研究领域。

关键问题

转角二维材料的研究主要面临以下困境：

1、传统的转移方法难以重复复杂结构堆叠二维材料的构建

尽管大多数新物理都与转角相关，而然至今为止却没有一种方法实现能动态的转角调控。二维材料的每个堆叠配置都是独特且不可重新配置的，这导致对堆叠参数的探索变得困难，许多结论仅基于少量样本得出。随着堆叠结构的日益复杂化，研究人员对动态转角调控的需求也日益增加。    

2、基于扫描显微镜平台的动态转角技术昂贵且适用性低

尽管近年来有研究开发了基于扫描显微镜平台的动态转角技术，但其设备昂贵，体积大，且专业化程度高，因此不能被广泛应用于各个实验室。迄今为止，还没有一种技术能够实现原位转角的控制。                  

新思路

有鉴于此，哈佛大学应用物理系博士后研究员Haoning Tang，加州伯克利大学电子与计算机系Yuan Cao教授, 哈佛大学应用物理系 Amir Yacoby教授以及Eric Mazur教授等人引入了一种采用微机电系统 (MEMS) 的二维材料 单片平台，该平台具有可以动态调控转角并进行原位光学测量。该平台由紧凑且经济高效的微机电结构组成，能够精确地控制两层二维材料之间的距离，可以进行包括接近、旋转和加压等动作。作者通过在转角六方氮化硼 (h-BN) 的非线性光学磁化率中创建合成拓扑奇点来证明这项技术的强大功能，和在实时和宽范围可调偏振的集成光源方向的应用前景。此外，作者提出了一种能够产生具有可调纠缠特性的纠缠光子对的方法。MEGA2D技术的真正力量仍在于基础研究。通过MEGA2D技术，该研究相信许多在转角石墨烯和许多范德瓦尔斯材料中的未解之谜将迎刃而解，并在此过程中带来新的发现。

技术方案：

1、开发为转角二维材料设计的微型机械

作者开发的MEGA2D平台利用MEMS技术，能精确控制二维材料堆叠，保证其平整度和平行度，实现高度灵活性和可重复操作性，适用于多种材料和实验。        

2、使用MEGA2D平台测量莫尔非线性光学

作者通过SHG验证了MEGA2D平台精度，实现对h-BN层间距和扭转角的精确调控，展现界面自清洁，机械性能和非线性光学性质的测量能力，证明了其在二维材料精确操控的巨大应用潜力。

3、探索非线性光学中的的拓扑结构

作者表明MEGA2D平台可利用合成维度精确操控二维材料非线性光学特性，实现拓扑光学奇点和光学极化率的任意调控，为非线性光学应用开拓新路径。

4、展示了平台在全斯托克斯可调谐经典光源和量子光源设计方面的应用

作者表明，MEGA2D平台通过调节层间距和扭转角，可实现全斯托克斯偏振调控，为设计经典和量子光源开辟新径，推动量子光学和光电子学发展。

技术优势：

1、开发设计了连续调控和原位测量的单片平台

作者设计并实现了利用微机电系统（MEMS）技术的MEGA2D平台，实现了对二维材料电压的精确控制，这种设计不仅提供了前所未有的灵活性和准确性，且兼容光学原位测量，能够实现对二维材料的实时操作和控制。

2、展示了所开发技术在合成拓扑奇点的创建与应用

作者展示了MEGA2D平台通过控制扭曲六方氮化硼（h-BN）的非线性光学磁化率，成功创建了合成拓扑奇点，证明了平台技术的先进性，并为开发具有实时和宽范围可调偏振的集成光源提供了关键技术。

技术细节

为转角二维材料而设计的微型机械

MEGA2D平台通过创新设计解决了独立控制二维材料堆叠参数的两大挑战：控制旋转角和层间距离的控制。该平台采用MEMS技术，实现在无需外部定位器的情况下保持初始间隙，并通过SU-8垫片和金字塔结构保证二维材料层间的平整度和平行度。该平台利用垂直平移或旋转两种驱动模式，确保了二维材料间距离的稳定性和倾斜精度。MEGA2D的优势在于其灵活性和可重复操作性，采用静电机制实现精确控制，也适用于除了二维材料以外的其他材料。    

图  MEGA2D:用于转角二维材料的片上MEMS平台

莫尔非线性光学

MEGA2D平台通过测量h-BN单晶的非线性二次谐波 (SHG) 验证了其精度。利用SHG对层间距和晶格取向的敏感性，观察到接触和层排列变化对SHG信号的显著影响。实验中，通过MEGA2D器件调节h-BN薄片间距离，发现SHG信号随距离发生显著变化。此外，通过旋转致动器，证明了二维界面的自清洁特性。MEGA2D还允许测量界面的机械性能，如范德华引力，以及通过SHG探测转角h-BN的手性。该研究使用拉曼光谱进一步证实了二维材料间接触的密切性和转角依赖的声子耦合。这些结果展示了MEGA2D在精确控制二维材料堆叠和测量界面性质方面的潜力。    

图  MEGA2D用于转角h-BN的非线性光学探测和拉曼光谱

非线性光学中的拓扑结构

MEGA2D平台通过提供额外的操控参数，使得能够在转角二维材料中探索新的物理现象。在非线性光学中，通过MEGA2D平台对h-BN非线性磁化率张量χ⁽²⁾进行调控，能够实现对非线性伪自旋ψ的精确控制。通过调整层间距和扭转角度，ψ在合成空间中表现出非平庸性质，这种性质类似于磁性材料中的自旋结构。实验中，通过测量SHG功率作为线性偏振的函数，能够探测ψ的方向，并识别出合成空间中的拓扑奇点。MEGA2D平台的灵活性和精确性为设计具有特定χ⁽²⁾的有源光学堆栈提供了可能，为非线性光学的新应用开辟了道路。    

图  在转角h-BN非线性磁化率中的实验发现光学奇点

面向可调谐量子光源

MEGA2D平台的非线性磁化率可调性为设计全斯托克斯可调谐的光源提供了新途径。在非线性二维材料中，通过调整层间距和扭转角度，可实现偏振态的自由调控，突破了传统非线性晶体的相位匹配限制。此外，该平台的非线性伪自旋可调性为量子传感和产生高纯度纠缠光子对的SPDC过程提供了新方法。通过改变非线性张量χ⁽²⁾，可以调节纠缠光子的偏振和纠缠程度，为量子光学仪器的进一步紧凑化和量子通信、量子计算等领域的应用开辟了新道路。未来的MEGA2D设备有望实现更宽的调谐范围和更高的SPDC效率，推动量子光学和光电子学的发展。    

图  可调谐经典和量子光源与MEGA2D

展望

总之，本工作介绍的MEGA2D平台可以在传统的电学输运和光学设置中探索大量的新方向。通过把二维材料堆叠的无限组合与MEGA2D提供的堆叠自由度控制相结合，人们可以加速对堆叠二维材料丰富相空间及其应用的探索。此外，MEGA2D也适用于其他单晶薄膜材料，例如基于MEGA技术还可以与平面超材料(如光子晶体)集成。

作者简介

本文第一作者Haoning Tang本科毕业于香港科技大学电子与计算机，博士毕业于哈佛大学应用物理系。她的主要研究方向是研究超材料和量子材料，非线性和量子光学，微机电系统，纳米材料于纳米制造技术等。Haoning Tang现为哈佛大学博士后研究员。她发表在Nature, Science Advances, Light, PRL, ACS Photonics, APL等多项成果受到光学领域内的广泛关注。       

本工作的完成单位为哈佛大学应用物理系及物理系，加州伯克利大学电子与计算机系，斯坦福大学应用物理系，麻省理工学院物理系，和日本国立材料研究所。哈佛大学Haoning Tang为论文第一作者，通讯作者为加州伯克利大学电子与计算机系Yuan Cao助理教授、哈佛大学应用物理系Amir Yacoby 以及Eric Mazur教授。斯坦福大学应用物理系Shanhui Fan教授，麻省理工学院物理系Pablo Jarillo-Herrero教授，和日本国立材料研究所Kenji Watanabe教授和 Takashi Taniguchi教授，哈佛大学应用物理系Xueqi Ni和Yiting Wang为本工作做出了重要贡献。