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中国90后天才少年连发两篇《Nature》

2018-12-19  jimyjacks...
                            基于两层呈一定角度的石墨烯的新实验平台,可以用来研究强相关物理学——也就是说,电子之间的强相互作用导致了新现象的系统物理学。该平台可以通过简单地应用电场来进行调节,它可以帮助我们揭示在超导体中发挥作用的潜在机制,特别是目前了解甚少的基于铜氧化物的高温体系。
 

魔角石墨烯超晶格结构


      由美国麻省理工大学(MIT)Pablo Jarillo-Herrero领导的研究小组,通过将两片原子厚度的碳(石墨烯)叠套在一起来制造该平台。然后利用他们之前发明的“拉堆技术”,将石墨烯经过扭转后叠套在一起,形成扭曲的双层石墨烯结构。此时,扭转的角度θ就决定了两层石墨烯的狄拉克锥能带杂化效果。直接效果就是,狄拉克锥上将打开一个能隙,并且狄拉克点上的费米速度将被重整化——在某些特定的角度,费米速度为零。这些角度就称之为“魔角”,其中第一个“魔角”出现的地方,大约是1.1°。他们发现材料在1.7K时变成了超导体(即电阻为零时的状态)。


      “我们在实验进行之初并不是为了研究超导电性,”Jarillo-Herrero解释道,“我们想要探索的是被称为魔角的方向性会如何影响石墨烯。因为根据一些专家的理论预测,若二维材料不同层间的原子以特定的角度偏移,那么在石墨烯莫尔超晶格中会出现有趣的电子性质。我们的直觉也告诉我们会有一些有趣的物理现象发生,但是实际我们发现的东西远远超出了我们的预期。”


      研究人员向它们施加电压,然后通过测量出它们的循环电流来研究石墨烯片的电导率。他们还测量出了片材内部携带电荷的颗粒密度。


两项突破性成果


“      我们发现了两件事:首先,我们可以对石墨烯系统进行电调节,使其成为一个相关的绝缘体,这可能是由于电子在莫尔超晶格中的存在而产生的。这种莫特绝缘体虽然是一类金属材料,但由于电子之间强烈的斥力,它便没有了导电性。我们在本周发表的两篇《Nature》杂志中首次报道了这一结果。


      “其次,我们发现通过在这种绝缘体上(通过施加一个小电场)添加一些额外的电荷载流子,我们便可以来调节石墨烯超晶格结构,使其成为超导体。这一结果在我们的第二篇《Nature》文章中有详细的介绍。”


      研究人员表示,石墨烯在含有大约1011 / cm2的载流子密度下,可以变成超导体。这意味着它们可以以传统超导体(在接近绝对零度的温度下工作,并且可以用完善的Bardeen-Cooper-Schreiffer超导理论描述)的10-4的电子密度来超导电性质。


      这种行为(绝缘状态如此接近超导状态)是所谓的非常规高温超导体的特性,即铜氧化物的特征。这些复杂的铜氧化物可以在133K的相对“高”温下实现超导性。尽管物理学家们研究这些材料已有数十年了,他们的任务是让超导体在更高的温度下工作,但在理想的室温条件下,他们仍然无法解释其中的基本机制。


魔角石墨烯的神奇之处


      “虽然让石墨烯错位的技术听起来很简单,但其实它需要好几年才能完美实现,”Jarillo-Herrero说,“然而,好消息是,全球有好几个团队可以实现这一目标,因此利用这个平台来研究一个简单系统中的非常规超导性是很有前景的。”


      他解释说,通常当研究人员研究高温超导体时,他们需要将材料置于极高的磁场中。有了石墨烯,或许他们可以通过简单地施加适度的磁场来做到这一点。


      “首先,我们的发现代表了基础科学方面的进步,我们希望它能让我们深入了解强相关系统的特性,如高温超导体和量子自旋液体,”他告诉nanotechweb.org网说。“更重要的是,我们的平台是一个通用平台,可以应用于任何二维材料,而不仅仅是石墨烯。”


量子计算机和光电探测器可能会受益


      例如,当今制造量子计算机原型的最先进技术是基于超导器件。魔角石墨烯超晶格可以为我们提供一种新型的电可调超导体,谁知道呢,他们或许有一天会在量子计算和信息技术中被利用。


      “超导体也被用于其他许多应用中,比如超灵敏的光探测器,所以我们的结果可能也会对其产生影响。”


      毫无疑问,石墨烯在很多方面都是一种特殊的材料。其独特的特性,如极高的机械强度(比钢强)和极高的电导率,电子能以接近弹道的速度穿过它。尽管研究人员已经证实,它也可能具有像超导体一样的特性,但也只是在与其他超导材料接触时才能被观测到。更重要的是,这大部分可以通过Bardeen-Cooper-Schreiffer理论来解释,所以它被认为是常规的。


      最后,尽管石墨烯要在超低温下才会表现出超导电性, 但它仅需电子密度是常规超导体的万分之一,就能在相同温度下获得超导能力。在常规的超导体中,这个现象只在当振动允许电子形成一对一对时才出现,成对的电子会稳定它们的行进路径,使它们能在零电阻的情况下流动。但由于石墨烯中可用的电子是如此之少,因此它们可以成对的事实表明系统中的相互作用要比在常规超导体中发生的强的多。


      物理学家现在还无法肯定的说——这两种材料中的超导机制是一样的。诺奖得主 Robert Laughlin 表示,现在还尚不清楚在铜氧化物中所看到的所有行为是否都可以发生在石墨烯中。但我们却有理由在这些新的实验所呈现出的足够多的超导行为中找到庆祝的理由。


      无论如何,“魔角”石墨烯中的超导电性的发现,开启了低维世界调控电子态的新大门,未来将值得期待更多的人工调控量子材料!

原文来自:nanotechweb网站,原文题目为:Magic-angle graphene’ behaves like a high-temperature superconductor
由材料科技在线团队翻译整理。


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