《Nature》重磅：雙層石墨烯的超導可通過電壓調(diào)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(fā)現(xiàn)，只需很小的電壓變化即可打開或關(guān)閉雙層石墨烯中的超導特性，從而提高了其在電子設(shè)備中的用途。這是在先前關(guān)于扭曲雙層石墨烯及其表現(xiàn)出交替的超導和絕緣區(qū)域的能力的研究基礎(chǔ)上的新發(fā)現(xiàn)。

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，這是物理學的圣杯?！薄耙虼耍@是這項工作動機的一部分：更好地了解材料的高溫超導性?！?/span>

這一發(fā)現(xiàn)是名為“轉(zhuǎn)角電子學”的新興領(lǐng)域取得的重大進步，該領(lǐng)域的先驅(qū)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(shù)年的辛勤工作，才能將MacDonald的原始理論轉(zhuǎn)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(shù)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(fā)現(xiàn)。他與博士后研究員拉菲·比斯特里策（RafiBistritzer）一起，研究了一個簡單但精確的模型，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(tǒng)的一個關(guān)鍵參數(shù)而大大簡化。

麥克唐納（MacDonald）和比斯特里策（Bistritzer）所采用的策略被證明是成功的。驚喜來了。當他們將該方法應(yīng)用于扭曲的雙層石墨烯時，他們發(fā)現(xiàn)在大約1.1度的非常特定的角度（被稱為“魔角”）時，電子表現(xiàn)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內(nèi)，這一發(fā)現(xiàn)在很大程度上被人們忽略了。因為這個實驗結(jié)果似乎太不可信，而且，在物理實驗中可以實現(xiàn)創(chuàng)建具有這樣的二維薄片的精確定位的這種系統(tǒng)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(jié)果感到懷疑。世界各地的一些實驗學家注意到了這一預(yù)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(chuàng)建了一個扭曲了1.1度的層狀石墨烯系統(tǒng)，正如MacDonald所預(yù)言的那樣，他們發(fā)現(xiàn)它表現(xiàn)出了卓越的性能-特別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么電子突然減速?！被诠鸫髮W物理學家們最近的工作，現(xiàn)在有了與在基本粒子物理學中經(jīng)常研究的模型有關(guān)的部分解釋。但是，現(xiàn)在在不同的分層2D材料中存在著一系列相關(guān)的效果，扭曲的雙層石墨烯只是其中的一部分?！?/span>

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(shè)備，超導材料有可能成為電氣傳輸?shù)母锩圆牧稀?/span>

此后，科學家們在扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了超導性，從而為蓬勃發(fā)展的子領(lǐng)域提供了燃料，這個新興學科叫Twistronics轉(zhuǎn)角電子學，并且發(fā)展掀起了研究熱潮。

麥克唐納說：”我的工作主要是預(yù)測從未見過的異?，F(xiàn)象，或者試圖理解尚未被很好理解的現(xiàn)象。“”我被直接連接到實際發(fā)生的事情的理論所吸引，并且我對數(shù)學和理論描述現(xiàn)實世界的力量很感興趣?！?/span>

層狀2D材料的奇異屬性似乎與粒子間的相互作用有關(guān)，當電子放慢速度時，相互作用會變得更加關(guān)鍵，從而導致各個電子之間的強烈相關(guān)性。通常，電子在原子軌道中幾乎分別圍繞原子核繞圈，以最低的可用能量進入量子態(tài)。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(jù)最低能量軌道的方式組織它們在原子中的行為時，沒有什么有趣的事發(fā)生。“”但是一旦它們的命運由電子之間的相互作用決定，那么有趣的事情就會發(fā)生?！?/span>

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（特別是過渡金屬硫?qū)倩铮┑亩询B方式，以尋找不尋常且可能有用的現(xiàn)象。

現(xiàn)在，麥克唐納（MacDonald）和國際團隊在《自然》上發(fā)表了一項關(guān)于魔角石墨烯的研究，表明該材料可以表現(xiàn)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(guān)閉，類似于集成電路中使用的電壓，增加其在電子設(shè)備中的實用性。為了獲得此結(jié)果，加泰羅尼亞光學物理研究所的團隊成員生產(chǎn)了石墨烯超晶格，其扭曲度比以前更高。通過這樣做，他們發(fā)現(xiàn)交錯的絕緣狀態(tài)和超導狀態(tài)的圖案比預(yù)期的更加復雜。TACC超級計算機是MacDonald研究中的關(guān)鍵工具，最近的《自然》雜志將其用于數(shù)據(jù)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。“”我們開始在臺式機上運行，然后很快陷入困境。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(qū)別?！?/span>

正如MacDonald所顯示的那樣，盡管計算實驗的結(jié)果似乎不如實驗室中的即時或”真實“，但這些結(jié)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么?！啊毖芯渴且淮蚊半U，我們總是在一次次未知領(lǐng)域的冒險中進步。