美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家开发了一种石墨烯装置,它比人的头发还薄,还具有深度特殊的特性。它可以很容易地从导电而不损失任何能量的超导材料,切换到阻挡电流的绝缘体,然后再回到超导材料——所有这一切都只需要简单地翻转一个开关,其研究发现发表在《自然》上。通常,当有人想研究电子在超导量子相和绝缘相中的相互作用时,需要研究不同的材料。
伯克利实验室材料科学部的教授,也是加州大学伯克利分校的物理学王教授说:通过该系统,可以在一个地方同时研究超导相和绝缘相。石墨烯器件由三层原子厚度(二维)石墨烯构成,当夹在二维氮化硼层之间时,会形成一个重复的图案,称为莫尔超晶格。这种材料可以帮助其他科学家理解高温超导现象背后的复杂力学原理。高温超导现象是指一种材料可以在高于预期的温度下导电,尽管温度仍然低于冰点数百度。
在之前的一项研究中,科学家观察了由三层石墨烯制成装置中Mott绝缘体的特性。Mott绝缘体是一类在冰点以下数百度时不导电的材料,尽管经典理论预测其电导率。但长期以来,人们一直认为Mott绝缘体可以通过添加更多的电子或正电荷来实现超导。在过去的10年里,研究人员一直在研究将不同的二维材料结合起来的方法,通常从石墨烯开始。石墨烯是一种以高效导热和导电而闻名的材料。在这项研究之外,其他研究人员还发现,石墨烯形成的莫尔超晶格具有奇异物理特性。
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比如当层以合适的角度排列时,就会产生超导性。因此,在这项研究中,如果三层石墨烯系统是Mott绝缘体,它也能是超导体吗?研究人员与斯坦福大学的David Goldhaber-Gordon、斯坦福大学材料与能源科学研究所SLAC国家加速器实验室的David Goldhaber-Gordon以及复旦大学的yubo Zhang合作,使用了稀释冰箱,石墨烯/氮化硼器件的温度可以达到接近华氏零下460度,从而使石墨烯/氮化硼器件降温到研究人员预期超导性出现在Mott绝缘体相附近的温度,一旦该设备达到4开尔文(零下452华氏度)的温度。
研究人员在该设备顶部和底部微小门上施加了一系列的电压。正如他们所料,当在顶部和底部的栅极上都施加一个高垂直电场时,石墨烯/氮化硼装置的每个单元都充满了一个电子。这使得电子稳定并停留在原地,这种电子的“定位”将设备变成了Mott绝缘体。然后施加了更高的电压,令他们高兴的是,第二次读数表明电子不再稳定。相反,它们在细胞间穿梭,在没有损耗和阻力的情况下导电。换句话说,该器件已经从Mott绝缘体相切换到超导体相。氮化硼莫尔超晶格在某种程度上增加了电子与电子之间的相互作用。
这种作用是在施加电压时发生,这种作用会改变器件的超导相。它也是可逆性的——当一个较低电压被施加到门上,设备会切换回绝缘状态。这种多任务处理设备为科学家们提供了一个小型、多功能的游乐场,用于研究奇异新型超导材料中原子和电子之间微妙的相互作用,这种新型超导材料在量子计算机中具有潜在的用途。计算机以量子位(通常是电子或光子等亚原子粒子)存储和操纵信息——以及新型莫特绝缘体材料,有朝一日可能使微型二维莫特晶体管成为现实。
研究人员从未想过石墨烯/氮化硼装置会做得这么好,可以用它研究几乎所有的东西,从单个粒子到超导性。这是研究人员所知道最好的,学习新型物理的系统。这项研究得到了材料中量子相干新途径中心(NPQC)的支持,该中心是伯克利实验室领导的能源前沿研究中心,由美国能源部科学办公室资助。NPQC将伯克利实验室、哥伦比亚大学阿贡国家实验室和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员聚集在一起,研究三层石墨烯等新材料中量子相干现象是如何形成的,并着眼于量子信息科学和技术的未来应用。
博科园|研究/来自:劳伦斯伯克利国家实验室参考期刊《自然》DOI: 10.1038/s41586-019-1393-y博科园|科学、科技、科研、科普
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