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石墨烯既可以做絕緣體也可以做超導體?

麻省理工學院和哈佛大學的研究人員又有了新發現,石墨烯可以通過調節變為絕緣體或超導體。過去研究者們通過将石墨烯與其他超導材料結合的方式合成石墨烯超導體,這種結構使得石墨烯具備一定的超導特性。但是最新的研究表明,石墨烯靠自己也可以實現超導,證明單純的碳基材料本身也具有超導性。

神奇的“魔角”

研究人員通過創建兩個石墨烯薄片堆疊在一起的“超晶格”結構來實現這一性質。石墨烯薄片不是完全重合疊加,而是在一個特定的角度(研究人員稱其為“魔角”),也就是旋轉1.1度(如上圖右側所示)。這樣就形成了精确的莫爾結構,這種結構可以使石墨烯薄片之間的電子發生強相互作用。在其他任何方式的堆疊結構中,石墨烯都很少與相鄰的電子産生相互作用。

研究人員發現,當以這個“魔角”旋轉時,兩片石墨烯不導電,類似于莫特絕緣體。當研究人員施加電壓,向石墨烯超晶格添加少量電子時,就會發現在一定水平上,電子突破了初始絕緣狀态,形成電流,并且沒有電阻,就像超導體一樣。“現在我們可以利用石墨烯作為研究超常規超導的新平台,” 研究人員說。人們也可以想象出從石墨烯中制造出一種超導晶體管,這種晶體管可以由開關控制其從超導到絕緣體的變化。這為量子設備提供了許多可能性。”

什麼是莫特絕緣體?

絕緣體的能帶完全被電子沾滿,而像金屬這樣的導體其能帶被部分填充,電子可以自由填充剩下的空能帶。而莫特絕緣體與兩者不同,從它的能帶結構看是可以導電的,但是測量時卻表現出絕緣體的特性。也就是說雖然它們的能帶是半填充的,但是由于電子間的靜電作用(例如同種電荷互相排斥),材料不導電。半填充帶基本上分裂成兩個平坦的能帶,電子完全占據其中一條,另一條是空的,因而表現出絕緣體的性質。

“這意味着所有的電子都不能流動,所以它是絕緣體”研究人員解釋道。“莫特絕緣體為什麼重要?有數據表明,大多數高溫超導體的母體化合物都是莫特絕緣體。”換句話說,科學家已經找到了能讓莫特絕緣體變成超導體的方法,在約100K的時候。研究人員用氧去“吸”莫特絕緣體,氧原子将電子從莫特絕緣體中吸出去,留下更多的空間讓剩餘的電子流動。氧氣充足的條件下,絕緣體就能變成導體。

如何制備出“魔角”結構的石墨烯

在研究石墨烯的電子性質時,研究人員開始研究簡單的石墨烯堆。研究人員首先從石墨中剝離一塊石墨烯薄片,然後用塗有粘性聚合物的玻璃片和一層氮化硼絕緣材料,小心地将一半的薄片剝離出來,從而制造出兩片超晶格。然後他們輕輕地轉動玻璃片,拿起了石墨薄片的第二部分,貼在前半部分上。這樣,他們就得到了一個超晶格的偏移結構,這是與石墨烯原始蜂窩晶格截然不同的結構。

研究人員重複了幾次這個實驗,做了幾個裝置,使石墨烯超晶格在0-3°之間旋轉不同的角度,測量電流通過。如果旋轉角度下降0.2°,所有的物理現象消失,沒有超導體或莫特絕緣體出現,所以必須非常精确地對準旋轉角度。

1.1°被認為是一個“魔角”,研究人員發現,石墨烯超晶格電子類似扁平帶結構,就像莫特絕緣體,無論動量是多少,所有的電子攜帶相同的能量。研究人員說:“想象汽車的動量是質量×速度,如果以30英裡/小時的速度行駛,汽車會有一定的動能。如果以60英裡/小時的速度行駛,這個動能就會更高。而我們現在的情況是想象不管速度是30、60或是100英裡/小時,都擁有同樣的能量。”對電子來說這就意味着即使它們占據了半填充的能帶,一個電子的能量不比任何其他電子的多,不足以使它在這個能帶内移動。因此,即使這樣半填充的能帶結構應該像導體一樣,它卻表現為絕緣體的特性,更确切一點說是莫特絕緣體。

把“魔角”結構的石墨烯做成超導體

研究人員從之前的結論中得到這樣一個想法:如果他們能把電子添加到這些類似莫特絕緣體的超晶格中,就像用氧摻雜莫特絕緣體使它們變成超導體一樣,石墨烯會反過來呈現超導性質嗎?為了找出答案,他們将一個小的觸發電壓施加到“魔角石墨烯超晶格”,向其中加入少量的電子。結果單個電子與石墨烯中的其他電子結合在一起,并且可以流動。過程中,研究人員繼續測量材料的電阻,卻發現當他們添加一定量的少量電子時,電流就像超導體一樣不損耗能量。

更重要的是,研究人員可以在同一個設備中通過調整石墨烯使其變成絕緣體或超導體,或是這之間的任何相位。這與之前其他的方法形成鮮明的對比,以前科學家們需要制備和操作成百上千個單獨的晶格,每一個晶格隻能在一個電子相位中運行。

也就是說研究人員可以通過研究石墨烯這一種材料就可以獲取絕緣體、超導體以及中間任何相位的物理信息。而目前其他任何材料都還不具備這種性質。

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