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《Nature》重磅:雙層石墨烯的超導可通過電壓調控

     近日消息,來自西班牙、美國、中國和日本專家組成的國際研究團隊發現,隻需很小的電壓變化即可打開或關閉雙層石墨烯中的超導特性,從而提高了其在電子設備中的用途。這是在先前關于扭曲雙層石墨烯及其表現出交替的超導和絕緣區域的能力的研究基礎上的新發現。
     得克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家艾倫·麥克唐納(AllanMacDonald)說:“制造一種在室溫下具有超導性的材料,這是物理學的聖杯。”“因此,這是這項工作動機的一部分:更好地了解材料的高溫超導性。”
     這一發現是名為“轉角電子學”的新興領域取得的重大進步,該領域的先驅包括MacDonald和同樣來自德克薩斯大學奧斯汀分校的工程師EmanuelTutuc。世界各地的研究人員花費了數年的辛勤工作,才能将MacDonald的原始理論轉化為具有這些奇怪特性的材料,但這值得等待。
     2011年,使用量子數學和計算機建模研究二維材料的理論物理學家MacDonald在研究中有一個意外發現。他與博士後研究員拉菲·比斯特裡策(RafiBistritzer)一起,研究了一個簡單但精确的模型,該模型可以說明當二維材料的一個原子層相對于另一層稍微扭曲時,電子在堆疊的2D材料中的行為。麥克唐納認為,看似無法解決的問題可以通過集中于系統的一個關鍵參數而大大簡化。
麥克唐納(MacDonald)和比斯特裡策(Bistritzer)所采用的策略被證明是成功的。驚喜來了。當他們将該方法應用于扭曲的雙層石墨烯時,他們發現在大約1.1度的非常特定的角度(被稱為“魔角”)時,電子表現出一種奇怪而異常的運動方式,移動速度了突然慢100倍以上。
     但是在當時的一段時間内,這一發現在很大程度上被人們忽略了。因為這個實驗結果似乎太不可信,而且,在物理實驗中可以實現創建具有這樣的二維薄片的精确定位的這種系統的物理示例是不明顯的。
     但是并不是所有人都對這個實驗結果感到懷疑。世界各地的一些實驗學家注意到了這一預測,并選擇追求“魔角”。在2018年,麻省理工學院的物理學家首次創建了一個扭曲了1.1度的層狀石墨烯系統,正如MacDonald所預言的那樣,他們發現它表現出了卓越的性能-特别是在出乎意料的高溫條件下具有超導性。
 
     麥克唐納說:“沒有簡單的理論可以解釋為什麼電子突然減速。”基于哈佛大學物理學家們最近的工作,現在有了與在基本粒子物理學中經常研究的模型有關的部分解釋。但是,現在在不同的分層2D材料中存在着一系列相關的效果,扭曲的雙層石墨烯隻是其中的一部分。”
     超導材料由于沒有電阻,可以使電子無限地傳播而不會耗散能量。它們可被用于制造量子計算機,因為不需要昂貴的制冷設備,超導材料有可能成為電氣傳輸的革命性材料。
     此後,科學家們在扭曲的雙層石墨烯中發現了超導性,從而為蓬勃發展的子領域提供了燃料,這個新興學科叫Twistronics轉角電子學,并且發展掀起了研究熱潮。
     麥克唐納說:“我的工作主要是預測從未見過的異常現象,或者試圖理解尚未被很好理解的現象。”“我被直接連接到實際發生的事情的理論所吸引,并且我對數學和理論描述現實世界的力量很感興趣。”
     層狀2D材料的奇異屬性似乎與粒子間的相互作用有關,當電子放慢速度時,相互作用會變得更加關鍵,從而導緻各個電子之間的強烈相關性。通常,電子在原子軌道中幾乎分别圍繞原子核繞圈,以最低的可用能量進入量子态。在魔角石墨烯中似乎并非如此。
     麥克唐納說:“基本上,當電子以占據最低能量軌道的方式組織它們在原子中的行為時,沒有什麼有趣的事發生。”“但是一旦它們的命運由電子之間的相互作用決定,那麼有趣的事情就會發生。”
近年來,MacDonald和他的團隊探索了三,四或五層石墨烯以及其他有前途的材料(特别是過渡金屬硫屬化物)的堆疊方式,以尋找不尋常且可能有用的現象。
     現在,麥克唐納(MacDonald)和國際團隊在《自然》上發表了一項關于魔角石墨烯的研究,表明該材料可以表現出交替的超導和絕緣相,可以在很小的電壓變化下開啟或關閉,類似于集成電路中使用的電壓,增加其在電子設備中的實用性。為了獲得此結果,加泰羅尼亞光學物理研究所的團隊成員生産了石墨烯超晶格,其扭曲度比以前更高。通過這樣做,他們發現交錯的絕緣狀态和超導狀态的圖案比預期的更加複雜。
     TACC超級計算機是MacDonald研究中的關鍵工具,最近的《自然》雜志将其用于數據的理論建模。
     他斷言:“我們要做的許多事情,都離不開高性能的計算機。”“我們開始在台式機上運行,然後很快陷入困境。因此,在很多情況下,使用超級計算機是能夠獲得令人滿意的答案與無法獲得令人滿意的答案之間的區别。”
     正如MacDonald所顯示的那樣,盡管計算實驗的結果似乎不如實驗室中的即時或“真實”,但這些結果可以揭示新的探索途徑,并有助于闡明宇宙的奧秘。
麥克唐納說:“令我的工作充滿活力的是,大自然總是帶來新的問題。當你問一個新類型的問題時,你并不事先知道答案是什麼。”“研究是一次冒險,我們總是在一次次未知領域的冒險中進步。
論文鍊接:
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1695-0

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