物理学家发现石墨烯都是绝缘子或超导体

很难相信单一材料可以用石墨烯那么多的最高级来描述。自2004年发现以来，科学家们发现，花边，蜂窝状的碳原子片-基本上是你能想象到的最微观的铅笔剃须-不仅是世界上最薄的材料，而且还有令人难以置信的光柔韧，比钢强数百倍，比铜更导电。

绝缘子或超导体？物理学家发现石墨烯都是

现在，麻省理工学院和哈佛大学的物理学家发现这种奇迹材料可以表现出更加好奇的电子特性。在今天发表在“自然”杂志上的两篇论文中，研究小组报告说，它可以调整石墨烯在两个极端电极上的表现：作为绝缘体，电子完全阻止流动;并且作为超导体，其中电流可以无阻力地流过。

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-这种布置允许石墨烯继承一些超导行为。这一次，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”来实现这一目标-不是精确地在彼此的顶部，而是以1.1度的“魔角”旋转得如此轻微。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，预计会在石墨烯片中的电子之间引起奇怪的“强相关相互作用”。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。

由麻省理工学院物理学副教授PabloJarillo-Herrero领导的研究小组发现，当以魔角旋转时，两片石墨烯表现出不导电性，类似于被称为莫特??绝缘体的奇异材料。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，”Jarillo-Herrero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。”

30年的差距

材料的导电能力通常用能带表示。单个波段代表材料电子可以具有的能量范围。在频带之间存在能隙，并且当填充一个频带时，电子必须具有额外的能量来克服该间隙，以便占据下一个空频带。

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，”Jarillo-Herrero解释道。“为什么莫特绝缘体很重要?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，他们用氧气对材料进行化学“掺杂”，其原子从莫特绝缘体中吸引电子，为剩余电子留出更多空间。当添加足够的氧气时，绝缘体变成超导体。Jarillo-Herrero说，这种转变究竟是如何发生的，已经有30年的历史了。

“这是一个长达30年的问题，尚未解决，”Jarillo-Herrero说道。“这些高温超导体已被研究过死亡，它们有许多有趣的行为。但我们不知道如何解释它们。”

精确的旋转

Jarillo-Herrero和他的同事们寻找一个更简单的平台来研究这种非常规物理学。在研究石墨烯的电子特性时，该团队开始使用简单的石墨烯叠层。研究人员创造了两片超晶格，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玻璃片仔细地拾取一半片。

然后他们非常轻微地旋转玻璃片，并拾起石墨烯片的后半部分，将其粘附到前半部分。通过这种方式，他们创建了一个超晶格，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“装置”或石墨烯超晶格，具有0到3度之间的各种旋转角度。他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了0.2度，那么所有的物理学都消失了，”Jarillo-Herrero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，而不管它们是什么动量。

“想象一下，汽车的动力是质量乘以速度，”Jarillo-Herrero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，你的能量会更高，如果你发生碰撞，你可能会变形更大的物体。事实是，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。“

“免费电流”

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

这给了团队一个想法：如果他们可以为这些类似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，他们向“魔角石墨烯超晶格”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，并发现当它们添加一定量的电子时，电流就会流动而不会耗散能量-就像超导体一样。

“你可以免费流动电流，不浪费能源，这表明石墨烯可以成为超导体，”Jarillo-Herrero说。

也许更重要的是，他说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阶段，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，你必须种植不同类别的材料来探索每个阶段，”Jarillo-Herrero说。“我们一次性就地采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，而不必制作数百个设备。它不会变得更简单。”