雙層石墨烯和多層石墨烯的導(dǎo)電性通常優(yōu)于單層石墨烯。套疊的雙層或多層石墨烯,可以通過(guò)人工層狀原子堆垛改變層間扭曲角度,從而改變體系的導(dǎo)電特性,實(shí)現(xiàn)絕緣體—導(dǎo)體—超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。
9月初,美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校Andrea F.Young課題組連續(xù)在《自然》雜志背靠背發(fā)表兩篇論文,報(bào)道了他們?cè)诹饷嫒龑邮┌l(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的最新突破。值得一提的是,兩篇論文的第一作者都是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班的留學(xué)生周昊欣。
2018年,畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),被譽(yù)為“天才少年”的曹原,在魔角扭曲的雙層石墨烯中首先發(fā)現(xiàn)新的電子態(tài),一舉打開(kāi)了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的大門(mén)。
“在此次報(bào)道的兩篇論文的第一篇中,研究團(tuán)隊(duì)在菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性,在亞開(kāi)爾文溫度下表現(xiàn)為低電阻率或消失電阻率。第二篇論文中,研究團(tuán)隊(duì)在菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)‘半金屬’和‘四分之一金屬’。”合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院電子科學(xué)系副主任于永強(qiáng)副教授表示,此次晶體菱面三層石墨烯超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),為石墨烯超導(dǎo)的研究帶來(lái)更多的可能性。
石墨烯獨(dú)特屬性使其具有超導(dǎo)潛力
超導(dǎo)體早已廣泛應(yīng)用在日常生活的方方面面。它們是核磁共振成像儀器和磁懸浮列車(chē)中的必要組件;還可用于制造傳輸和儲(chǔ)存能量長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)年的電力線(xiàn)路及裝置等。
石墨烯是由一層碳原子組成六邊形結(jié)構(gòu)的二維原子晶體。由于石墨烯優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性,其在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景,被認(rèn)為是一種革命性的材料。
而超導(dǎo)石墨烯的出現(xiàn)為其應(yīng)用開(kāi)辟了更多的可能性。例如,它可以用于超高速計(jì)算機(jī)中的新型超導(dǎo)量子設(shè)備。
“石墨烯是具有極高載流子遷移率的零帶隙半導(dǎo)體,并具有完美的狄拉克錐形能帶結(jié)構(gòu),它的導(dǎo)帶和價(jià)帶具有重合的狄拉克點(diǎn)。”于永強(qiáng)告訴記者,科學(xué)家可以通過(guò)疊套方法和較弱的范德瓦爾斯力將石墨烯層與層套疊在一起。
“在疊套過(guò)程中,可將層間扭曲一定角度。通過(guò)改變層間扭曲角度,可以改變套疊石墨烯體系的微觀電子結(jié)構(gòu),從而改變體系的物理性能。”于永強(qiáng)表示,石墨烯本身不具有超導(dǎo)特性,但石墨烯獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)、高載流子遷移率以及可通過(guò)人工層狀原子堆垛方法,實(shí)現(xiàn)扭曲角度而調(diào)控套疊石墨烯體系的微觀電子結(jié)構(gòu)等特性,使其具備實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的潛能。
于永強(qiáng)告訴記者,由于石墨烯是零帶隙高遷移率半導(dǎo)體,單層石墨烯具有高的導(dǎo)電性、良好的光學(xué)特性以及量子霍爾效應(yīng)等物理特性。“雙層石墨烯和多層石墨烯的導(dǎo)電性通常優(yōu)于單層石墨烯。”于永強(qiáng)表示,套疊的雙層或多層石墨烯,可以通過(guò)人工層狀原子堆垛改變層間扭曲角度,從而改變體系的導(dǎo)電特性,實(shí)現(xiàn)絕緣體—導(dǎo)體—超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。
扭動(dòng)“魔角”讓石墨烯實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)
2018年3月5日,頂級(jí)期刊《自然》連發(fā)兩篇文章,報(bào)道了石墨烯領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn):當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng),這為超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用打開(kāi)了新世界的大門(mén)。
曾經(jīng)困擾物理學(xué)家多年的高溫超導(dǎo)難題,因?yàn)樵撗芯堪l(fā)現(xiàn)而迎刃而解。這一發(fā)現(xiàn),轟動(dòng)了當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界,同時(shí)也開(kāi)辟了凝聚態(tài)物理的一塊全新領(lǐng)域,為研究電子與電子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng),提供了全新的、開(kāi)辟性的理論基礎(chǔ)。這就是魔角石墨烯。
而這兩篇《自然》論文的第一作者,就是來(lái)自于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班的曹原。曹原也因此登上了2018年《自然》雜志的年度十大科學(xué)人物,并位列榜首。
“魔角扭曲石墨烯是將第一層石墨烯放置在第二層石墨烯上,然后將第一層石墨烯旋轉(zhuǎn)大約1.1°。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是把一塊石墨烯斷成兩塊,把其中一塊相對(duì)于另一塊轉(zhuǎn)一個(gè)角度,然后再把兩塊疊起來(lái)。”于永強(qiáng)告訴記者,魔角扭曲石墨烯可以在原子尺度獲得莫爾超晶格,這種物理結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生能量狀態(tài),阻止電子分開(kāi),迫使它們相互作用?;诋?dāng)前的超導(dǎo)理論,超導(dǎo)行為被認(rèn)為是源自電子之間的強(qiáng)相互作用。
“存在超晶格的魔角扭曲石墨烯,在門(mén)電壓的調(diào)控下,可連續(xù)調(diào)控其載流子濃度,同時(shí)在更低的溫度時(shí)(約為1.7K),達(dá)到超導(dǎo)特性的電子臨界濃度,電子間將出現(xiàn)強(qiáng)相互作用,獲得超導(dǎo)特性。”于永強(qiáng)說(shuō)。
晶體菱面三層石墨烯超導(dǎo)性更強(qiáng)
今年年初,已經(jīng)成為博士后的曹原再次以共同第一作者身份,在《自然》上發(fā)布論文,指出在三層石墨烯組成的“三明治”中觀察到超導(dǎo)性。在新的三層結(jié)構(gòu)中,中間一層石墨烯相對(duì)于外層,以新的角度扭轉(zhuǎn),其超導(dǎo)性比雙層結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。
在發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯可能產(chǎn)生超導(dǎo)性之后不久,就有理論物理學(xué)家提出,在三層或更多層石墨烯中也可能看到相同的現(xiàn)象,而衍生出其他科學(xué)研究。
2021年9月1日,這種菱面體三層石墨烯在短短7個(gè)月的時(shí)間后,再次在《自然》上背靠背連發(fā)兩篇文章。這兩篇論文的第一作者,正是曹原在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班的師弟周昊欣。
“此次報(bào)道提出的晶體菱面三層石墨烯,中間一層石墨烯相對(duì)于外層石墨烯的魔角大約是1.57°,在溫度為0.1K時(shí),實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性。”于永強(qiáng)告訴記者,超導(dǎo)特性與每個(gè)莫爾單元中的對(duì)稱(chēng)性破缺相有關(guān),超導(dǎo)相被抑制和限制在部分包圍對(duì)稱(chēng)破缺相。“相對(duì)于魔角扭曲石墨烯,晶體菱面三層石墨烯具有更好的電子結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性和超導(dǎo)特性。”于永強(qiáng)說(shuō)。
“鐵磁性在過(guò)渡金屬化合物中最常見(jiàn),其中電子占據(jù)高度局部化的d軌道。然而,鐵磁有序也可能出現(xiàn)在低密度二維體系電子系統(tǒng)。”于永強(qiáng)告訴記者,此次論文中研究者展示了菱面體三層石墨烯中的門(mén)調(diào)諧范霍夫奇點(diǎn),將電子系統(tǒng)的自發(fā)鐵磁極化驅(qū)動(dòng)為一種或多種自旋(Spin)電子和谷(Valley)電子特征。
于永強(qiáng)告訴記者,使用電容和電子遷移測(cè)量,研究者觀察到相之間的一系列密度和電子位移場(chǎng)調(diào)諧躍遷,其中量子振蕩具有四倍、兩倍或一倍的簡(jiǎn)并性,分別與自旋和谷簡(jiǎn)并正常金屬,自旋極化的“半金屬”,以及自旋和谷極化的“四分之一金屬”相關(guān)。
通常認(rèn)為,半金屬在化學(xué)元素周期表中處于金屬向非金屬過(guò)渡的位置,物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)也介于金屬和非金屬之間。
“值得注意的是,他們發(fā)現(xiàn)同位旋順序只是微弱的擾動(dòng),每當(dāng)在半或四分之一超晶格帶填充出現(xiàn)流動(dòng)的半或四分之一金屬態(tài)時(shí),莫爾勢(shì)能催化拓?fù)浞瞧椒矌稇B(tài)的形成。”于永強(qiáng)表示,論文的研究結(jié)果表明,菱形石墨烯是控制良好的多體理論測(cè)試的理想平臺(tái),并揭示了莫爾材料中的磁性本質(zhì)上是流動(dòng)的。
“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),魔角扭曲石墨烯可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變,而菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了‘半金屬’和‘四分之一金屬’。”于永強(qiáng)進(jìn)一步解釋說(shuō),這是由于電子在磁場(chǎng)下會(huì)轉(zhuǎn)換成量子態(tài),材料的電阻率發(fā)生振蕩,當(dāng)量子振蕩具有四倍、兩倍或一倍的簡(jiǎn)并性時(shí),就分別對(duì)應(yīng)著正常金屬、“半金屬”,以及“四分之一金屬”。
評(píng)論