研究人员将纳米级石墨烯魔角应用于声学

两个原子级薄的碳片堆叠在彼此的顶部，称为双层石墨烯，当其中一层以特定角度(“神奇”角度)扭曲时，会表现出独特的特性。对两层材料之间的魔法和其他角度错位及其对材料特性的影响的研究被称为扭曲电子学，这是凝聚态物理学的一个迅速扩展的领域。

为了将扭曲电子学引入宏观尺度，宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员设计了一种等效于魔角双层石墨烯的声学等效物。他们的论文最近被Physical Review B: Rapid Communications接受。

“检查凝聚态物理概念的类似物可以为我们提供声学方面的新想法和应用，”声学和生物医学工程副教授云景说。

在模拟中，研究团队从一块包含六边形孔洞的平板构建了声学设计，类似于纳米级石墨烯中的原子排列。他们添加了另一个类似石墨烯的板层，将板对齐但在两者之间留出垂直气隙，并扭曲顶板。这种扭曲产生了一种典型的莫尔图案——也见于典型的魔角石墨烯——由两个重叠的相似图案产生，其中一个稍微旋转或偏移。

研究人员随后模拟了声波在阵列内的运动。他们发现，当波以特定的扭转角在板之间传播时，声能集中在莫尔图案的特定区域，顶层和底层上的孔对齐。研究人员说，这种行为在原子尺度上反映了魔角石墨烯中电子的行为。

“电子穿过石墨烯等材料在数学上类似于在重复结构之间穿过空气的声波，”声学博士生邓元辰说。

研究小组表示，这些相似之处可以帮助研究人员在理论上探索传统魔角石墨烯的进一步应用，而不受实验限制。Jing 说，他们的声学系统在实验室中更容易制造，因为它不是在纳米级设计的，而且鉴于样品的尺寸更大，扭曲会更容易控制。

研究人员还发现，他们的设置为探索魔角创造了新的可能性，现有研究主要集中在 3 度以下的小角度。研究人员可以操纵石墨烯板之间的距离来控制魔角——这对于纳米级的魔角石墨烯来说是极其困难的。研究人员发现，他们的发展产生了比以前想象的更多的魔角。

“通过更大的扭转角，我们可以减小结构的尺寸，”景说。“样品将更容易模拟和最终制造。”

在声学石墨烯阵列的某些位置集中波能可以应用于能量收集。如果石墨烯板在声能受限的区域被设计成压电体，它们可以将机械能从声波振动转化为电能。随着进一步的研究，声学魔角石墨烯可能适合在各种场景中收集能量。

研究人员计划进一步研究声学魔角 石墨烯的可能性，并将他们的研究扩展到有关不同类型波的领域。

“将这种双层设置带入宏观尺度，你可以尝试不同的结构和波，”邓说。“我们的系统是声学的，但可以使用类似于波动方程的数学函数为任何系统提供反馈。”

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