Question

一种石墨烯超导体

Answer 1

美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员开发了一种石墨烯装置，它比人的头发还薄，但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流动的绝缘体，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角度。他们的发现发表在《自然》杂志上。

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，他们需要研究不同的材料。通过我们的系统，你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，它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，研究人员报告说，他们观察了由三层石墨烯制成的装置中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。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。在这项工作之外，其他研究人员还发现，石墨烯形成的莫尔超晶格具有奇异的物理特性，比如当层以合适的角度排列时，就会产生超导性。

石墨烯/氮化硼器件的温度可以达到40毫米开朗基罗氏度，或接近华氏零下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，研究人员在该设备的顶部和底部的微小门上施加了一系列的电压。

正如他们所料，当他们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，他们施加了更高的电压。令人高兴的是，第二次读数表明电子不再稳定。相反，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的，这种作用会改变器件的超导相。它也是可逆性的——当一个较低的电压被施加到门上，设备会切换回绝缘状态。

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的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。

文章转载自公众号：石墨烯雷达