01研究背景

二维材料（2D materials, 2DM）及其异质结构，由于通过静电门控和范德华（vdW）堆叠所展现的显著可调性，成为了一类具有变革性的材料，有可能揭示新的物理和器件应用。尽管静电门控是调控2DM的一种成熟技术，但在探索2DM物理特性和先进的量子器件技术方面，实现对界面特性的实时控制仍然具有挑战性。最近，基于扫描显微镜的方法被提出，能够同时控制扭曲角度和进行隧道光谱学研究，这标志着一个显著的技术进步。然而，这种方法需要高度专业化且昂贵的设备，以及只有少数实验室具备的专业知识，这限制了其普及性。这些局限性表明，需要一种通用的方法在器件级别操纵vdW异质结构中的堆叠。

02研究成果

近日，美国加利福尼亚大学Yuan Cao、哈佛大学Amir Yacoby及Eric Mazur合作报道了一种使用微机电系统（MEMS）的具有原位可调界面特性的2DM片上平台。该平台由紧凑且经济高效的设备组成，能够对2DM进行精确的电压控制，包括接近、扭转和加压等操作。通过在扭曲六方氮化硼（h-BN）的非线性光学磁化率中创建合成拓扑奇点（如merons），展示了这项技术。该技术的一个关键应用是开发具有实时和宽范围可调偏振的集成光源。此外，还预测了一种量子类似物，能够产生具有可调纠缠特性的纠缠光子对。这项工作不仅扩展了现有技术在操纵低维量子材料方面的能力，而且为开发新型的混合二维和三维设备铺平了道路，在凝聚态物理、量子光学及相关领域具有巨大的应用潜力。相关研究工作以“On-chip multi-degree-of-freedom control of two-dimensional materials”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

03研究内容

研究者设计并实现了一个基于微机电系统（MEMS）的片上平台，名为基于MEMS的2D材料通用驱动平台（MEGA2D）。MEGA2D提供了一种前所未有的灵活性和准确性，用于对2DM进行通用操作。不仅满足了对2DM堆叠的原位控制需求，还为凝聚态物理、光学等领域的研究提供了大量机会。MEGA2D使2D异质结构中的堆叠在便利性、可扩展性和更广泛的研究社区的可访问性方面，与静电门控相当。此外，它还具有兼容性，可以轻松集成到任何现有的运输和光学测量系统中。

图1. 一个用于扭曲2D材料的片上MEMS平台MEGA2D

图2. 用MEGA2D调谐的扭曲h-BN的非线性光学探测和拉曼光谱

图3. 扭曲h-BN非线性极化率中合成梅隆的实验实现

图4. MEGA2D可调经典和量子光源

04结论与展望

综上所述，MEGA2D的先进能力将极大地推动对堆叠2DM丰富相空间的深入探索，并加速其在多种应用领域的开发。本研究所讨论的非线性光学不仅适用于扭曲的六方氮化硼等2DM，同样也适用于其它C3单晶薄膜。基于MEMS的技术也可以与光学超材料集成，并实现操纵光子和研究光与物质相互作用的新方法。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07826-x