研究发现石墨烯可以调整为绝缘体和超导体

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麻省理工学院和哈佛大学的研究人员发现,石墨烯可以调整到两个极端的极端状态:作为绝缘体,电子被完全阻止流动; 并且作为超导体,其中电流可以无阻力地流过。

麻省理工学院和哈佛大学的团队创造了石墨烯“超晶格”,可以是超导和绝缘图像

过去的研究人员,包括这个团队,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 - 这种结构允许石墨烯继承一些超导行为。在这项新工作中,该团队找到了一种单独制造石墨烯超导的方法,证明超导性可以是纯碳基材料的内在质量。

物理学家通过创建两个堆叠在一起的石墨烯片的“超晶格”来实现这一目的 - 不是精确地在彼此的顶部,而是以1.1度的特定角度(它们被称为“魔角”)非常轻微地旋转。结果,重叠的六边形蜂窝图案略微偏移,产生精确的莫尔配置,预测其将在石墨烯片中的电子之间引起“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,与其相邻层非常少地电子或其他方式相互作用。

该团队发现,当以该魔角旋转时,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外来材料。当研究人员随后施加电压,向石墨烯超晶格中添加少量电子时,他们发现,在一定程度上,电子从初始绝缘状态中爆发出来并且没有电阻地流动,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常规超导性的新平台,”该团队说。“人们还可以想象用石墨烯制造超导晶体管,你可以打开和关闭石墨烯,从超导到绝缘。这为量子器件开辟了许多可能性。“

如果最后占据的能带完全被电子填充,则材料被认为是绝缘体。另一方面,诸如金属的电导体表现出部分填充的能带,具有空的能量状态,电子可以填充该能量状态以自由移动。然而,莫特绝缘体是一类从其带结构中导电的材料,但在测量时,它们表现为绝缘体。具体而言,它们的能带是半填充的,但由于电子之间的强静电相互作用(例如相互排斥的等电荷),材料不导电。半填充带基本上分成两个微型,几乎平坦的带,电子完全占据一个带而另一个带空,因此表现为绝缘体。

“这意味着所有电子都被阻挡,所以它是绝缘体,因为电子之间存在强烈的排斥力,所以没有任何东西可以流动,”该团队解释道。“为什么Mott绝缘子很重要?事实证明,大多数高温超导体的母体化合物都是莫特绝缘体。“换句话说,科学家们已经找到了在大约100开尔文的相对较高温度下操纵莫特绝缘子的电子特性以将它们变成超导体的方法。为此,他们用氧气化学“掺杂”材料,氧原子吸收电子从莫特绝缘体中吸出,留下更多的空间让剩余的电子流动。当添加足够的氧气时,绝缘体变成超导体。研究表明,这种转变究竟是如何发生的,已有30年的历史。

在研究石墨烯的电子特性时,该团队开始研究简单的石墨烯叠层。研究人员首先从石墨中剥离一片石墨烯,然后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,制作出双片超晶格。然后他们非常轻微地旋转玻璃载玻片并拾取石墨烯片的下半部分,将其粘附到前半部分。通过这种方式,他们创造了一个超晶格,其偏移图案与石墨烯的原始蜂窝晶格不同。

该团队重复了这个实验,创造了几个“器件”或石墨烯超晶格,具有0到3度之间的各种旋转角度。它们将电极连接到每个器件并测量通过的电流,然后根据通过的原始电流量绘制器件的电阻。“如果你的旋转角度偏离0.2度,所有物理学都消失了,”该团队说道,“没有出现超导性或莫特绝缘体。所以你必须对准角度非常精确。”

在1.1度 - 一个被预测为“魔角”的旋转 - 研究人员发现石墨烯超晶格在电子上类似于平带结构,类似于莫特绝缘体,其中所有电子都携带相同的能量而不管它们的动量。“想象一下,汽车的动力是质量时间的速度,”研究人员说。“如果你以每小时30英里的速度行驶,那么你就有一定的动能。如果你以每小时60英里的速度行驶,你就会有更高的能量,如果你撞车,你可能会变形更大的物体。这就是说,无论你是每小时30或60英里还是100英里,他们都会拥有相同的能量。“

对于电子来说,这意味着,即使它们占据半满能量带,一个电子也不会拥有比任何其他电子更多的能量,以使其能够在该频带中移动。因此,即使这样的半填充带结构应该像导体一样,它反而表现为绝缘体 - 更准确地说,是Mott绝缘体。

这让团队有了一个想法:如果他们能够为这些类似Mott的超晶格增加电子怎么办,类似于科学家如何用氧气将Mott绝缘体掺杂成超导体?石墨烯会依次承担超导质量吗?为了找到答案,他们在“魔角石墨烯超晶格”上施加了一个小的栅极电压,向结构中添加了少量电子。结果,单个电子与石墨烯中的其他电子结合在一起,使它们能够在它们不能之前流动。在整个过程中,研究人员继续测量材料的电阻,发现当它们添加一定量的少量电子时,电流就会流动而不会耗散能量 - 就像超导体一样。

也许更重要的是,研究人员能够将石墨烯调整为绝缘体或超导体,以及介于两者之间的任何相位,在一个器件中展现出所有这些不同的特性。这与其他方法形成对比,在这些方法中,科学家不得不生长和操纵数百个单独的晶体,每个晶体都可以在一个电子相位中运行。

“通常,你必须培养不同类别的材料来探索每个阶段,”该团队说。“我们一次性就地使用纯碳装置进行原位制作。我们可以在一个设备中电气地探索所有这些物理,而不是必须制造数百个设备。它不会变得更简单。“


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