可以形成絕緣體或超導體的神奇多層石墨烯片

麻省理工學院和哈佛大學的物理學家已經發現，石墨烯這一具有花邊，蜂窩狀的碳原子薄片，可以表現出兩種電極狀態：一種是絕緣體狀態，電子的流動被完全堵塞；二是作為一個超導體，其中電流可以無阻力地流動。圖片來源：美國麻省理工學院

很難相信一個單一的材料可以像石墨烯那樣具有如此眾多的特性。自2004年發現以來，科學家們已經發現，這種從鉛筆芯上刮下來的具有花邊、蜂窩狀的碳原子還不只是在世界上已知的最薄的材料，而且還非常輕便靈活，其強度比鋼強百倍，比銅更具導電性。

現在麻省理工學院和哈佛大學的物理學家發現這種神奇的材料可以表現出更奇特的電子特性。在今天發表在《自然》雜誌上的兩篇論文中，研究小組報告說，它可以調節石墨烯具有兩種不同的電極特性：一種是作為絕緣體，在其中電子完全被阻止流動；另一種是作為超導體，電流可以在無電阻的情況下流過。

過去的研究人員，包括這個小組，已經能夠通過將材料與其他超導金屬接觸來合成石墨烯超導體，這種結構允許石墨烯繼承一些超導行為。這一次，該小組發現了一種對自己使石墨烯超導，超導可以證明在純碳基材料的內在特性。

物理學家們通過創建兩個疊在一起的石墨烯薄片來實現這一點，不是精確地相互疊在一起，而是以1.1度的「魔角」旋轉重疊。作為一個結果，這種疊加六邊形蜂窩模式略有偏移，創造一個精確的摩爾紋配置，預計產生奇怪的特性，石墨烯片中電子的「強關聯相互作用」。在任何其他堆疊結構中，石墨烯傾向於保持不同，很少以電子方式或以其他方式與相鄰層進行交互。

研究團隊包括以Pablo Jarillo Herrero為首的一個麻省理工大學的副教授，發現在魔角旋轉時，兩個石墨烯具有不導電的行為，類似於一個外來類材料稱為莫特絕緣體。當研究人員施加電壓，向石墨烯超晶格中添加少量電子時，他們發現，在一定的水平上，電子從最初的絕緣狀態破裂，變得沒有電阻，就像是超導體一樣。

「我們現在可以使用石墨烯作為研究超導性的新平台，」Jarillo Herrero說。「人們也可以想像，從石墨烯中製造出一種超導晶體管，這種晶體管可以開關，從超導到絕緣體。這為量子設備打開了許多可能性。」

一個30年的差距

一種材料的導電能力通常用能量帶來表示。單個帶代表一個物質的電子所能擁有的能量範圍。在帶之間有一個能量間隙，當一個頻帶被填滿時，一個電子必須包含額外的能量來克服這個間隙，以便佔據下一個空帶。

如果最後佔據的能帶完全充滿了電子，則材料被認為是絕緣體。另一方面，像金屬這樣的電導體呈現出部分填充的能帶，電子可以自由地填充空能態。

然而，莫特絕緣體是一類從它們的能帶結構中導電的材料，但當測量時，它們表現為絕緣體。具體來說，它們的能量帶是半填充的，但是由於電子間的靜電相互作用（如等號的電荷相互排斥），材料不導電。半填充帶基本上分裂成兩個幾乎平坦的帶狀帶，電子完全佔據一條帶，而另一條帶空，因而表現為絕緣體。

「這意味著所有的電子都擋住了，所以它具有絕緣體特性，因為電子間強烈的排斥，所以沒有什麼能流動，」Jarillo Herrero解釋說。「莫特絕緣體為什麼重要？結果表明，大多數高溫超導體的母體化合物是莫特絕緣體。」

換句話說，科學家們已經找到了方法來操縱莫特絕緣體的電子性質，使它們變成超導體，在大約100歐凱文的高溫下。為了做到這一點，他們在化學上用氧將物質「吸」進去，這些原子將電子從莫特絕緣體中吸引出去，留下更多的空間讓剩餘的電子流動。當足夠的氧氣補充，絕緣體變成導體。其中到底是如何實現轉變時，Jarillo Herrero說，神秘面紗已經有30年了。

「這是一個問題，已經有30年了，還沒有解決，」Jarillo Herrero說。「這些高溫超導體已被很徹底地研究過了，其中有許多有趣的行為。但我們仍不知道如何解釋它們。」

一個精確的旋轉

Jarillo Herrero和他的同事們找來研究這種非常規的物理的一個簡單的平台。在研究石墨烯的電子性質時，研究小組開始使用簡單的石墨烯堆疊。研究人員首先從石墨中剝離一塊石墨薄片，然後用塗有粘性聚合物的玻璃片和一層氮化硼絕緣材料，小心地將一半的薄片剝離出來，從而製造出兩片超晶格。

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，他們創造了一個超晶格的偏移圖案，這是截然不同的石墨烯的原始蜂窩晶格。

該小組重複了這個實驗，創造了幾個「裝置」，或者石墨烯超晶格，具有不同的旋轉角度，在0度到3度之間。他們將電極連接到每一個器件上，測量電流通過，然後繪製出器件的電阻，給定電流通過的數量。

「如果你在你的旋轉角度0.2度，所有的物理特性就消失了，」Jarillo Herrero說。「沒有超導或莫特絕緣體出現。所以你必須非常精確其中的對齊角度。」

當在1.1度，這一旋轉角度已經被預測為一個「魔術角」，研究人員發現，石墨烯超晶格電子類似扁平帶結構，類似於莫特絕緣體，其中所有的電子攜帶相同的能量，無論其動量。

「想像一下，一輛車的動量是質量乘以速度，」Jarillo Herrero說。「如果你以每小時30英里的速度行駛，你就有一定的動能。如果你以每小時60英里的速度行駛，你的能量就會高得多，如果你撞車了，你可能會變形一個更大的物體。這是說，不管你走30、60或100英里每小時，他們都會擁有同樣的能量。」

「免費通行」

對於電子，這意味著，即使它們佔據了半填充的能帶，一個電子不比任何其他電子有更多的能量，使它能夠在這個帶內移動。因此，即使這樣半填充的帶結構應該像導體一樣，它卻表現為絕緣體——更確切地說，是一個莫特絕緣體。

這給了團隊一個想法：如果他們能把電子添加到這些類似莫特的超晶格中，這就像科學家如何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，他們將一個小的柵電壓施加到「魔角石墨烯超晶格」，向結構中加入少量的電子。結果，單個電子與石墨烯中的其他電子結合在一起，使它們在不可能之前流動。自始至終，研究人員繼續測量材料的電阻，發現當他們添加一定量的少量電子時，電流就像能量超導體一樣不損耗能量。

「電子可以自由流動，沒有能量的浪費，這是顯示，石墨烯是一種超導體，」Jarillo Herrero說。

也許更重要的是，他說研究人員能夠調整石墨烯表現為絕緣體或超導體，以及中間的任何相位，在一個設備中表現出所有這些不同的性質。這與其他方法形成鮮明對比，科學家們不得不生長和操作成百上千個單獨的晶體，每一個晶體只能在一個電子相中運行。

「通常，你必須成長不同類別的材料才能探討每一階段，」Jarillo Herrero說。「而我們只需要在一個純粹的碳裝置上進行多次研究。我們可以在一個設備上探索所有的物理信息，而不必製造數百個設備。它已經非常簡單了。」

來源：https://phys.org/news/2018-03-rotated-magic-angle-graphene-sheets.html

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