科学家研究了两种不同结构的双层石墨烯（二维碳原子片），探测到了电子和光学层间的共振。在共振状态下，电子以相同的频率在二维界面的两个原子平面间来回反弹。通过表征其状态，他们发现，将其中一层石墨烯层相对于另一层旋转30度，而不是直接将层堆叠在彼此之上，能将共振转移到较低的能量。

根据最近发表在《物理评论快报》上的这一研究成果，他们推断，在扭曲的结构中，与堆叠结构相比，两层之间的距离显著增加。当这个距离改变时，层间的相互作用也会改变，从而影响电子在双层体系中的移动。对这种电子运动的理解可以为未来量子技术的设计提供信息，能实现更强大的计算和更安全的通信。

该论文第一作者和共同通讯作者是Zhongwei Dai，他是美国能源部布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心(CFN)界面科学与催化组的博士后。他说：“今天的计算机芯片基于我们对电子在半导体中如何移动的知识，特别是在硅中。但硅的物理特性正在达到一个物理极限，即可以制造多少晶体管以及芯片可以容纳多少个晶体管。如果我们能够理解电子如何在几纳米的小尺度以及缩小尺寸的二维材料上移动，我们就能解锁另一种利用电子进行量子信息科学研究的方法。”

在几纳米（或十亿分之一米）下，材料系统的大小与电子的波长相当。当电子被限制在与其波长大小相同的空间中时，材料的电子和光学特性就会发生变化。这些量子限制效应是量子力学类波运动的结果，而不是经典力学运动的结果，在经典力学运动中，电子在材料中移动并被随机按缺陷散射。

在这项研究中，研究小组选择了一种简单的材料模型——石墨烯——来研究量子限制效应，并应用了两种不同的探针：电子和光子。为了探测电子和光学共振，他们使用了一种可以将石墨烯转移到其上面的特殊衬底。论文共同通讯作者和CFN界面科学和催化组科学家Jurek Sadowski之前为量子材料出版社（QPress）设计了这个衬底。QPress是CFN材料合成和表征设施中正在开发的自动化工具，用于合成、加工和表征二维层状材料。

通常情况下，科学家们会在几百纳米厚的二氧化硅衬底上从3D母晶体（例如石墨烯）上剥离二维材料“薄片”。然而，这个衬底是绝缘的，因此基于电子的审讯技术不起作用。因此，Sadowski和CFN科学家Chang-Yong Nam以及石溪大学研究生Ashwanth Subramanian在二氧化硅衬底上沉积了一层只有3纳米厚的氧化钛导电层。

Sadowski解释说：“该层足够透明，可以用于光学表征和测定剥离薄片和堆叠单层膜的厚度，同时也足够导电，可以用于电子显微镜或基于同步加速器的光谱技术。”

宾夕法尼亚大学的Charlie Johnson研究组，他们在金属箔上生长石墨烯，并将其转移到氧化钛/二氧化硅衬底上。当石墨烯以这种方式生长时，所有三种结构（单层、堆叠和扭曲）都会存在。

然后，Dai和Sadowski设计并进行了实验，他们用低能电子显微镜(LEEM)将电子射入材料中，并检测反射的电子。他们还用带有光谱仪的激光光学显微镜将光子发射到这种材料中，并分析散射回来的光的光谱。这个共聚焦拉曼显微镜是QPress编目器的一部分，它与图像分析软件一起，可以精确定位感兴趣的样品区域的位置。

Dai说：“QPress拉曼显微镜使我们能够快速识别目标样品区域，可加速我们的研究。”

他们的研究表明，扭曲石墨烯结构的层间距相对于非扭曲结构增加了约6%。新罕布什尔大学的理论家通过计算验证了扭曲结构中独特的共振电子行为。

Sadowski说：“由旋转石墨烯制成的设备可能具有非常有趣和意想不到的特性，因为增加了电子可以移动的层间距。”

接下来，该团队将用扭曲的石墨烯制造设备。该团队还将以CFN工作人员科学家Samuel Tenney和CFN博士后Calley Eads和Nikhil Tiwale进行的初步实验为基础，探索将不同材料添加到层状结构中会如何影响其电子和光学特性。

Dai说：“在最初的研究中，我们选择了可以合成和控制的最简单的二维材料系统，以了解电子的行为。我们计划继续这类基础研究，希望能为如何操纵用于量子计算和通信的材料提供线索。”（编译:Julien）