很難相信單一材料可以用石墨烯那么多的最高級來描述。自2004年發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，花邊，蜂窩狀的碳原子片-基本上是你能想象到的最微觀的鉛筆剃須-不僅是世界上最薄的材料，而且還有令人難以置信的光柔韌，比鋼強(qiáng)數(shù)百倍，比銅更導(dǎo)電。

絕緣子或超導(dǎo)體？物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯都是

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種奇跡材料可以表現(xiàn)出更加好奇的電子特性。在今天發(fā)表在“自然”雜志上的兩篇論文中，研究小組報(bào)告說，它可以調(diào)整石墨烯在兩個(gè)極端電極上的表現(xiàn)：作為絕緣體，電子完全阻止流動(dòng);并且作為超導(dǎo)體，其中電流可以無阻力地流過。

過去的研究人員，包括這個(gè)團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)能夠通過將材料與其他超導(dǎo)金屬接觸來合成石墨烯超導(dǎo)體-這種布置允許石墨烯繼承一些超導(dǎo)行為。這一次，該團(tuán)隊(duì)找到了一種單獨(dú)制造石墨烯超導(dǎo)的方法，證明超導(dǎo)性可以是純碳基材料的內(nèi)在質(zhì)量。

物理學(xué)家通過創(chuàng)建兩個(gè)堆疊在一起的石墨烯片的“超晶格”來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)-不是精確地在彼此的頂部，而是以1.1度的“魔角”旋轉(zhuǎn)得如此輕微。結(jié)果，重疊的六邊形蜂窩圖案略微偏移，產(chǎn)生精確的莫爾配置，預(yù)計(jì)會在石墨烯片中的電子之間引起奇怪的“強(qiáng)相關(guān)相互作用”。在任何其他堆疊配置中，石墨烯優(yōu)選保持不同，與其相鄰層非常少地電子或其他方式相互作用。

由麻省理工學(xué)院物理學(xué)副教授PabloJarillo-Herrero領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以魔角旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩片石墨烯表現(xiàn)出不導(dǎo)電性，類似于被稱為莫特??絕緣體的奇異材料。當(dāng)研究人員隨后施加電壓，向石墨烯超晶格中添加少量電子時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，在一定程度上，電子從初始絕緣狀態(tài)中爆發(fā)出來并且沒有電阻地流動(dòng)，就像通過超導(dǎo)體一樣。

“我們現(xiàn)在可以使用石墨烯作為研究非常規(guī)超導(dǎo)性的新平臺，”Jarillo-Herrero說?！叭藗冞€可以想象用石墨烯制造超導(dǎo)晶體管，你可以打開和關(guān)閉石墨烯，從超導(dǎo)到絕緣。這為量子器件開辟了許多可能性。”

30年的差距

材料的導(dǎo)電能力通常用能帶表示。單個(gè)波段代表材料電子可以具有的能量范圍。在頻帶之間存在能隙，并且當(dāng)填充一個(gè)頻帶時(shí)，電子必須具有額外的能量來克服該間隙，以便占據(jù)下一個(gè)空頻帶。

如果最后占據(jù)的能帶完全被電子填充，則材料被認(rèn)為是絕緣體。另一方面，諸如金屬的電導(dǎo)體表現(xiàn)出部分填充的能帶，具有空的能量狀態(tài)，電子可以填充該能量狀態(tài)以自由移動(dòng)。

然而，莫特絕緣體是一類從其帶結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電的材料，但在測量時(shí)，它們表現(xiàn)為絕緣體。具體而言，它們的能帶是半填充的，但由于電子之間的強(qiáng)靜電相互作用(例如相互排斥的等電荷)，材料不導(dǎo)電。半填充帶基本上分成兩個(gè)微型，幾乎平坦的帶，電子完全占據(jù)一個(gè)帶而另一個(gè)帶空，因此表現(xiàn)為絕緣體。

“這意味著所有電子都被阻擋，所以它是絕緣體，因?yàn)殡娮又g存在強(qiáng)烈的排斥力，所以沒有任何東西可以流動(dòng)，”Jarillo-Herrero解釋道?！盀槭裁茨亟^緣體很重要?事實(shí)證明，大多數(shù)高溫超導(dǎo)體的母體化合物都是莫特絕緣體?！?br/>
換句話說，科學(xué)家已經(jīng)找到了在大約100開爾文的相對較高溫度下操縱莫特絕緣子的電子特性以將它們變成超導(dǎo)體的方法。為此，他們用氧氣對材料進(jìn)行化學(xué)“摻雜”，其原子從莫特絕緣體中吸引電子，為剩余電子留出更多空間。當(dāng)添加足夠的氧氣時(shí)，絕緣體變成超導(dǎo)體。Jarillo-Herrero說，這種轉(zhuǎn)變究竟是如何發(fā)生的，已經(jīng)有30年的歷史了。

“這是一個(gè)長達(dá)30年的問題，尚未解決，”Jarillo-Herrero說道?！斑@些高溫超導(dǎo)體已被研究過死亡，它們有許多有趣的行為。但我們不知道如何解釋它們?！?br/>
精確的旋轉(zhuǎn)

Jarillo-Herrero和他的同事們尋找一個(gè)更簡單的平臺來研究這種非常規(guī)物理學(xué)。在研究石墨烯的電子特性時(shí)，該團(tuán)隊(duì)開始使用簡單的石墨烯疊層。研究人員創(chuàng)造了兩片超晶格，首先從石墨中剝離一片石墨烯，然后用涂有粘性聚合物和氮化硼絕緣材料的玻璃片仔細(xì)地拾取一半片。

然后他們非常輕微地旋轉(zhuǎn)玻璃片，并拾起石墨烯片的后半部分，將其粘附到前半部分。通過這種方式，他們創(chuàng)建了一個(gè)超晶格，其偏移圖案與石墨烯的原始蜂窩晶格不同。

該團(tuán)隊(duì)重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了幾個(gè)“裝置”或石墨烯超晶格，具有0到3度之間的各種旋轉(zhuǎn)角度。他們將電極連接到每個(gè)器件并測量通過的電流，然后根據(jù)通過的原始電流量繪制器件的電阻。

“如果你的旋轉(zhuǎn)角度偏離了0.2度，那么所有的物理學(xué)都消失了，”Jarillo-Herrero說道。“沒有出現(xiàn)超導(dǎo)性或莫特絕緣體。所以你必須對準(zhǔn)角度非常精確?！?br/>
在1.1度-一個(gè)被預(yù)測為“魔角”的旋轉(zhuǎn)-研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯超晶格在電子上類似于平帶結(jié)構(gòu)，類似于莫特絕緣體，其中所有電子都攜帶相同的能量，而不管它們是什么動(dòng)量。

“想象一下，汽車的動(dòng)力是質(zhì)量乘以速度，”Jarillo-Herrero說?！叭绻阋悦啃r(shí)30英里的速度行駛，那么你就有一定的動(dòng)能。如果你以每小時(shí)60英里的速度行駛，你的能量會更高，如果你發(fā)生碰撞，你可能會變形更大的物體。事實(shí)是，無論你是每小時(shí)30或60英里還是100英里，他們都會擁有相同的能量?！?br/>
“免費(fèi)電流”

對于電子來說，這意味著，即使它們占據(jù)半滿能量帶，一個(gè)電子也沒有比任何其他電子更多的能量，使其能夠在該頻帶中移動(dòng)。因此，即使這樣的半填充帶狀結(jié)構(gòu)應(yīng)該像導(dǎo)體一樣，它也可以表現(xiàn)為絕緣體-更準(zhǔn)確地說，是Mott絕緣體。

這給了團(tuán)隊(duì)一個(gè)想法：如果他們可以為這些類似Mott的超晶格增加電子怎么辦，類似于科學(xué)家如何用氧氣將Mott絕緣體摻雜成超導(dǎo)體?石墨烯會依次承擔(dān)超導(dǎo)質(zhì)量嗎?

為了找到答案，他們向“魔角石墨烯超晶格”施加了一個(gè)小的柵極電壓，向結(jié)構(gòu)中添加了少量電子。結(jié)果，單個(gè)電子與石墨烯中的其他電子結(jié)合在一起，使它們能夠在它們不能之前流動(dòng)。在整個(gè)過程中，研究人員繼續(xù)測量材料的電阻，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)它們添加一定量的電子時(shí)，電流就會流動(dòng)而不會耗散能量-就像超導(dǎo)體一樣。

“你可以免費(fèi)流動(dòng)電流，不浪費(fèi)能源，這表明石墨烯可以成為超導(dǎo)體，”Jarillo-Herrero說。

也許更重要的是，他說研究人員能夠?qū)⑹┱{(diào)整為絕緣體或超導(dǎo)體，以及介于兩者之間的任何階段，在一個(gè)器件中展現(xiàn)出所有這些不同的特性。這與其他方法形成對比，在這些方法中，科學(xué)家不得不生長和操縱數(shù)百個(gè)單獨(dú)的晶體，每個(gè)晶體都可以在一個(gè)電子相位中運(yùn)行。

“通常，你必須種植不同類別的材料來探索每個(gè)階段，”Jarillo-Herrero說?！拔覀円淮涡跃偷夭捎眉兲佳b置進(jìn)行原位制作。我們可以在一個(gè)設(shè)備中電氣地探索所有這些物理，而不必制作數(shù)百個(gè)設(shè)備。它不會變得更簡單?！?/p>