石墨烯“開辟新天地”

　　一項新研究預測，研究人員可以使用激光螺旋脈沖改變石墨烯的性質，把它從金屬變成絕緣體，這可能賦予石墨烯用于編碼的特殊性質。

　　 研究成果發表于2015年5月11日出版的Nature Communications，使用這種特殊光線創造并控制物質的新狀態實驗從此成為可能，其潛在應用有計算機和其他領域。這個過程就是點石成金，撤掉激光后金子又變回石頭，Thomas Devereaux解釋道。Devereaux教授就任于美國能源部（Department of Energy）的SLAC國家加速器實驗室（National Accelerator Laboratory），同時還兼任斯坦福大學材料和能源科學研究所（Stanford Institute for Materials and Energy Sciences，SIMES）主管，這是一所SLAC和斯坦福大學的聯合機構。

　　 他說：我們的模擬表明可以從理論上改變石墨烯的電子特性，在電子自由移動的金屬狀態和絕緣狀態之間來回改變它的狀態。從數字角度來說，這就像在0和1之間來回轉變，也就是打開和關掉，肯定和否定。這種特性可以用于計算機內存的信息編碼。有趣的是你可以用光而不是電子做電子開關。

　　 Devereaux和Michael Sentef共同領導本項研究。最初Sentef作為博士后研究員工作于SLAC，目前任職德國的馬克斯普朗克結構和動力研究所（Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter）。

　　 神奇材料的誕生

　　 石墨烯是一種純碳結構，只有單原子厚度，原子以蜂巢狀排列。它在12年前被科學家發現，一直被當成萬能材料。它有彈性，幾乎透明，是導熱和導電的絕佳材料，還是已知強度最高的材料之一。但是科學家們試遍了各種方法也沒能把它變成半導體，而半導體正是微電子所需的核心材料。

　　 另一項早期研究表明圓偏振光的照射也許可以實現上述目標。圓偏振光傳播時以順時針或逆時針方向旋轉，這個特性被稱為右撇子或左撇子。它可以產生帶隙，帶隙中沒有電子，這是半導體的特性之一。

　　 在SIMES研究中，理論學家利用了能源部位于勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的國家能源研究科學計算中心（National Energy Research Scientific Computing Center）進行了大規模的模擬演算。他們模擬了用圓偏振光照射石墨烯的實驗，照射時長為十億分之一秒的幾百萬分之一。

　　 力求真實的模擬

　　 以前的研究建立在分析演算和理想環境的基礎上，研究生Martin Claassen說道。他是Devereaux團隊的一員，為研究做出了重要貢獻。我們的研究最大程度地模擬了真實實驗的條件，連激光脈沖的形狀都考慮在內。這項模擬能區分出可行的實驗，并且找出那些實驗中最有價值的變化發生的區域。

　　 SLAC科學家以及本研究論文的另一位作者Brian Moritz說，模擬表明激光的螺旋會與石墨烯的螺旋相互反應，該反應并不均勻，帶來了有趣而且意料之外的特性。它不僅產生了帶隙，還導致了量子態。石墨烯在這種狀態下有1或0的陳數，這是貝瑞曲率（Berry curvature）產生的結果，提供了另一種可供科學家研究的開關態。

　　 石墨烯以外的應用

　　 雖然本研究不能立即應用在電子設備中，但它給研究人員提供了這方面的重要理論依據。研究結果還與二硫屬化物（dichalcogenides）相關，該材料也是一種二維原子片，它的原子同樣按蜂窩狀排列。

　　 二硫屬化物是SIMES和全球科研機構的重點研究對象，它是制造谷自由設備（valleytronic devices）的潛在材料。谷自由度（valleytronics）中，電子像有兩個谷值的能量波一樣從二維半導體中穿過，這兩個谷值的特點可被用于信息編碼。它的潛在應用有光探測器、低能耗計算機的邏輯和數據存儲芯片、量子計算機。除了石墨烯方面的研究，團隊還對光和二硫屬化物的反應方面的實驗進行了模擬。

　　 Moritz說：我們的最終目標是搞清楚為什么材料與光的反應會改變材料的性質和屬性，并且創造出技術上的新型有趣材料。