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物理学家揭示石墨烯既是绝缘体又是超导体

发布时间:2018-05-14

麻省理工学院和哈佛大学的物理学家发现,石墨烯,一种类似蜂窝状的花边状碳原子,可以在两个极端条件下工作:作为绝缘体,电子完全阻止流动;并且作为超导体,电流可以无阻力地流过。礼貌的研究人员

很难相信单一材料可以被描述为与石墨烯一样多的最高级。自从2004年发现以来,科学家们发现,花边,蜂窝状的碳原子片 - 基本上是铅笔铅的最微观的剃须,你可以想象 - 不仅是世界上最薄的材料,而且非常轻巧灵活,比钢强几百倍,比铜导电性更强。

现在麻省理工学院和哈佛大学的物理学家发现奇迹材料可以表现出更奇特的电子特性。在今天发表在Nature上的两篇论文中,研究小组报告说,它可以调整石墨烯的行为在两个极端点上:作为绝缘体,电子完全阻止流动;并且作为超导体,电流可以无阻力地流过。

包括该团队在内的过去的研究人员已经能够通过将材料与其他超导金属接触来合成石墨烯超导体 - 这种布置允许石墨烯继承一些超导行为。这一次,该团队发现了一种自己制造石墨烯超导体的方法,证明超导性可以是纯碳基材料的内在质量。

物理学家通过创建一个堆叠在一起的两个石墨烯薄片的“超晶格”来实现这一点 - 不是精确地在彼此的顶部,而是以1.1度的“魔角”轻微旋转。结果,重叠的六边形蜂窝图案稍微偏移,产生精确的莫尔结构,预计会导致石墨烯片中电子之间出现奇怪的“强相关的相互作用”。在任何其他堆叠配置中,石墨烯优选保持不同,与其相邻层非常少,电子或其他方式相互作用。

由麻省理工学院物理学副教授Pablo Jarillo-Herrero领导的研究小组发现,当以魔角旋转时,两片石墨烯表现出不导电行为,类似于被称为莫特​​绝缘体的奇特类材料。当研究人员施加电压,向石墨烯超晶格添加少量电子时,他们发现,在一定水平上,电子从初始绝缘状态中脱离出来,像没有电阻一样流过,就像通过超导体一样。

“我们现在可以使用石墨烯作为研究非传统超导性的新平台,”Jarillo-Herrero说。 “人们还可以想象,用石墨烯制作一个超导晶体管,可以开关,从超导到绝缘。这为量子器件提供了许多可能性。“

当一个石墨烯晶格相对于第二个石墨烯晶格以“魔角”轻微旋转时形成的莫尔图案的大规模解释。

30年的差距

材料的导电能力通常以能带表示。单一波段表示材料电子可以具有的一系列能量。在频带之间存在能隙,当一个频带被填满时,电子必须体现出额外的能量来克服这个差距,以占据下一个空频带。

如果最后占用的能带完全充满电子,则材料被认为是绝缘体。另一方面,诸如金属之类的电导体展现出部分填充的能带,其具有电子可以填充以自由移动的空能态。

然而,莫特绝缘体是从它们的带结构出现以导电的一类材料,但是在测量时,它们表现为绝缘体。具体来说,它们的能带是半满的,但由于电子之间强烈的静电相互作用(例如等号相互排斥的电荷),材料不导电。半填充带基本上分成两个小型的几乎平坦的带,电子完全占据一个带而另一个留空,因此表现为绝缘体。

“这意味着所有的电子都被阻挡了,所以它是绝缘体,因为电子之间有强烈的斥力,所以没有东西可以流动,”Jarillo-Herrero解释道。 “为什么莫特绝缘子很重要?原来,大多数高温超导体的母体化合物是莫特绝缘体。“

换句话说,科学家们已经找到了方法来控制莫特绝缘体的电子特性,以便在大约100开尔文的相对高的温度下将它们变成超导体。为此,他们用氧气对材料进行化学“掺杂”,其原子将电子从莫特绝缘体中吸引出来,留下更多空间供剩余电子流动。当添加足够的氧气时,绝缘体变成超导体。 Jarillo-Herrero说,这种转变究竟如何发生,已经是一个30年的谜团。

“这是一个30年来一直存在的问题,尚未解决,”Jarillo-Herrero说。 “这些高温超导体已被研究致死,并且他们有许多有趣的行为。但我们不知道如何解释它们。“

精确轮换

Jarillo-Herrero和他的同事寻找了一个更简单的平台来研究这种非常规物理学。在研究石墨烯的电子属性时,团队开始玩弄简单的石墨烯片堆栈。研究人员首先通过从石墨中剥离单片石墨烯,然后小心地用涂有粘性聚合物和氮化硼绝缘材料的载玻片小心地拾取一半薄片,从而制成了两片超晶格。

然后,他们非常轻微地旋转载玻片,拾取石墨烯片的下半部分,将其粘贴到上半部分。通过这种方式,他们创建了一个具有不同于石墨烯原始蜂窝晶格的偏移模式的超晶格。

团队重复了这个实验,创建了几个“器件”或石墨烯超晶格,具有0到3度之间的各种旋转角度。他们将电极连接到每个器件,并测量通过的电流,然后绘制器件的电阻,给定通过的原始电流量。

“如果你的旋转角度为0.2度,所有物理学都消失了,”Jarillo-Herrero说。 “没有超导或莫特绝缘体出现。所以你必须非常精确的对准角度。“

研究人员发现,石墨烯超晶格在1.1度的旋转被认为是“魔角” - 研究人员发现石墨烯超晶格的电子结构类似于平带结构,类似于莫特绝缘体,其中所有电子的能量无论其动量如何,都具有相同的能量。

“想象一下汽车的动力是质量乘以速度,”Jarillo-Herrero说。 “如果你以每小时30英里的速度行驶,就会有一定的动能。如果你以每小时60英里的速度行驶,你的能量会高得多,而如果你发生碰撞,你可能会变形一个更大的物体。这件事就是说,无论你每小时行驶30或60或100英里,他们都会拥有同样的能量。“

“当前免费”

对于电子来说,这意味着即使它们占据了半满的能带,一个电子也没有比其他任何电子更多的能量,以使其能够在该带中移动。因此,尽管这种半充满的带状结构应该像导体一样起作用,但它却表现为绝缘体 - 更确切地说,是一种莫特绝缘体。

这给了团队一个想法:如果他们可以给这些莫特类超晶格添加电子,那么类似于科学家如何用氧气将莫特绝缘体掺杂成超导体?石墨烯是否会依次承担超导质量?

为了弄清楚,他们在“魔角石墨烯超晶格”上施加了一个小的栅极电压,在结构中加入了少量的电子。结果,单个电子与石墨烯中的其他电子结合在一起,允许它们在不能之前流动的地方。在整个研究过程中,研究人员继续测量材料的电阻,发现当他们添加一定量的少量电子时,电流就会像超导体一样流动而不会消耗能量。

“你可以免费流过电流,没有能量浪费,这表明石墨烯可以是超导体,”Jarillo-Herrero说。

也许更重要的是,他表示研究人员能够将石墨烯调整为绝缘体或超导体,以及它们之间的任何相位,在单一器件中展示所有这些不同特性。这与其他方法形成了对比,在这些方法中,科学家们不得不种植和操纵数百个单个晶体,每个晶体都可以在一个电子相位中表现。

“通常情况下,你必须开发不同类别的材料来探索每个阶段,”Jarillo-Herrero说。 “我们在一台纯碳设备中一次就地完成了这一工作。我们可以在一个设备中以电的方式探索所有这些物理,而不必制造数百个设备。它不可能变得更简单。“

这项研究部分得到了Gordon和Betty Moore基金会和国家科学基金会的支持。

出版物:

Yuan Cao等人,“魔角石墨烯超晶格中的非传统超导性”,Nature,2018; doi:10.1038 / nature26160 Yuan Cao等人,“魔角石墨烯超晶格中半填充的相关绝缘体行为”,Nature,2018; DOI:10.1038 / nature26154

资料来源:麻省理工学院新闻办公室的詹妮弗·楚