90后天才少年曹原团队，如何用MEMS技术实时调控二维材料的界面特性！

【科学背景】

随着二维材料（2DM）及其异质结构的广泛应用，研究者们越来越关注如何在这些材料中实现更精确的操控与调节。二维材料具有优异的电学和光学性质，其性能可通过静电栅控和范德华（vdW）堆叠来调节。尤其是在扭曲的范德华异质结构中，莫尔效应提供了进一步调控能带结构和多体相关性的可能性，这引起了科学界的广泛关注。然而，尽管静电栅控技术已经成熟，但在实际应用中实现对2DM界面性质的实时控制仍面临诸多挑战。

当前，尽管已有通过扫描显微镜等先进技术对2DM进行操控的方法，但这些方法存在应用范围有限、操作复杂以及成本高昂的问题。传统的干转移和湿转移方法虽然可靠且简单，但每个堆叠的独特性和不可重构性限制了对堆叠参数（如扭曲角度）的便捷探索。这种非可重复性使得研究者在探索堆叠效应时常常只能依赖于少数样本，从而限制了对二维材料性质的深入理解和应用开发。

为了解决这些问题，哈佛大学的Eric Mazur和Amir Yacoby、哈佛大学和加州大学伯克利分校的曹原团队提出了基于微机电系统（MEMS）的芯片上平台——MEGA2D。这一平台不仅可以精确地控制2DM的堆叠，还能够进行实时的调节和操控，包括接近、扭转和加压等动作。

MEGA2D平台的设计旨在提供一种通用的、可扩展的解决方案，能够克服传统方法在操作灵活性和可重复性方面的不足。通过这一平台，我们能够在扭曲的六方氮化硼（h-BN）中创建合成拓扑奇点，例如梅伦（merons），从而推动了非线性光学性质的研究。同时，该技术还为集成光源的开发提供了实时可调的偏振解决方案，并有望在量子光学领域产生可调的纠缠光子对。

【科学亮点】

1. 实验首次提出了一种基于微机电系统（MEMS）的芯片上平台，名为MEGA2D，用于二维材料（2DM）的通用操控。这一平台实现了在现场对2DM堆叠的精确控制，包括接近、扭转和加压操作，为探索低维量子材料提供了新的工具。

2. 实验通过在扭曲的六方氮化硼（h-BN）中创建合成拓扑奇点，如梅伦（merons），验证了MEGA2D平台的有效性。此外，实验展示了这一技术在开发具有实时和宽范围可调偏振的集成光源中的应用潜力。

3. 该平台可以应用于量子光学中，生成具有可调纠缠性质的纠缠光子对。这一工作不仅扩展了现有技术在操控低维量子材料方面的能力，还为未来的混合二维和三维器件的发展提供了基础。

【科学图文】

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。

【科学结论】

本文展示了通过微机电系统（MEMS）技术对二维材料（2DM）及其异质结构进行实时操控的创新方法。这一技术突破性地解决了以往静电栅控和扫描显微镜方法在二维材料研究中的局限性，尤其是在探索新奇物理现象和开发先进量子器件方面。通过在芯片上实现对二维材料堆叠的精确控制，本文不仅为研究者提供了更为便利和可扩展的工具，还为未来二维材料与三维器件的混合应用奠定了基础。这种可调控的堆叠方法进一步拓展了二维材料在凝聚态物理学和量子光学领域的研究范围，为开发新型光源和量子纠缠光子对等应用提供了新的思路和可能性。

参考文献：Tang, H., Wang, Y., Ni, X. et al. On-chip multi-degree-of-freedom control of two-dimensional materials. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07826-x