通過一些仔細的扭曲和堆疊，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家揭示了“魔角”石墨烯的一種新奇特性：可以用電脈沖打開和關(guān)閉的超導(dǎo)性，就像電燈開關(guān)一樣。
這一發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致用于神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的超快、高能效超導(dǎo)晶體管——設(shè)計用于以類似于人腦中神經(jīng)元快速開/關(guān)放電的方式運行的電子設(shè)備。
魔角石墨烯指的是一種非常特殊的石墨烯堆疊——一種由碳原子制成的原子薄材料，這些碳原子以類似于鐵絲網(wǎng)的六邊形圖案連接在一起。當(dāng)一片石墨烯以精確的“魔幻”角度堆疊在另一片石墨烯上時，扭曲的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生略微偏移的“莫爾”圖案或超晶格，能夠支持許多令人驚訝的電子行為。
2018 年，麻省理工學(xué)院的 Pablo Jarillo-Herrero 和他的團隊率先展示了魔角扭曲雙層石墨烯。他們表明，當(dāng)他們施加一定的連續(xù)電場時，新的雙層結(jié)構(gòu)可以起到絕緣體的作用，就像木頭一樣。當(dāng)他們提高磁場時，絕緣體突然變成超導(dǎo)體，讓電子無摩擦地流動。
這一發(fā)現(xiàn)是“雙電子學(xué)”領(lǐng)域的一個分水嶺，該領(lǐng)域探索二維材料的扭曲和分層如何產(chǎn)生某些電子特性。包括 Jarillo-Herrero 在內(nèi)的研究人員繼續(xù)揭示魔角石墨烯的驚人特性，包括在不同電子狀態(tài)之間切換材料的各種方法。到目前為止，這種“開關(guān)”的作用更像是調(diào)光器，因為研究人員必須持續(xù)施加電場或磁場來開啟超導(dǎo)性，并使其保持開啟狀態(tài)。
現(xiàn)在，Jarillo-Herrero 和他的團隊已經(jīng)表明，魔角石墨烯中的超導(dǎo)性可以通過短脈沖而不是連續(xù)電場開啟并保持開啟。他們發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵是扭曲和堆疊的結(jié)合。
在今天發(fā)表在 Nature Nanotechnology 上的一篇論文中，該團隊報告說，通過在兩個偏置的氮化硼層（一種二維絕緣材料）之間堆疊魔角石墨烯，三明治結(jié)構(gòu)的獨特排列使研究人員能夠?qū)⑹┑某瑢?dǎo)性轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒂枚屉娒}沖關(guān)閉。
“對于絕大多數(shù)材料，如果你移除電場，zzzzip，電狀態(tài)就消失了，”麻省理工學(xué)院 Cecil 和 Ida Green 物理學(xué)教授 Jarillo-Herrero 說。“這是第一次制造出可以突然電開關(guān)的超導(dǎo)材料。這可能為新一代扭曲的、基于石墨烯的超導(dǎo)電子產(chǎn)品鋪平道路。”
他在麻省理工學(xué)院的合作者是主要作者 Dahlia Klein 博士、研究生 Li-Qiao Xia 和博士后 David MacNeill，以及日本國家材料科學(xué)研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。
撥動開關(guān)
2019 年，斯坦福大學(xué)的一個團隊發(fā)現(xiàn)魔角石墨烯可以被強制進入鐵磁狀態(tài)。鐵磁體是即使在沒有外加磁場的情況下也能保持其磁性的材料。
研究人員發(fā)現(xiàn)，魔角石墨烯可以以一種可以打開和關(guān)閉的方式表現(xiàn)出鐵磁特性。當(dāng)石墨烯片層疊在兩片氮化硼之間，使得石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)與氮化硼層之一對齊時，就會發(fā)生這種情況。這種排列類似于奶酪三明治，其中面包的頂部切片和奶酪方向?qū)R，但面包底部切片相對于頂部切片以隨機角度旋轉(zhuǎn)。結(jié)果引起了麻省理工學(xué)院小組的興趣。
“我們試圖通過對齊兩個切片來獲得更強的磁鐵，”Jarillo-Herrero 說。“相反，我們發(fā)現(xiàn)了一些完全不同的東西。”
在他們目前的研究中，該團隊制作了一個由經(jīng)過仔細傾斜和堆疊的材料組成的三明治。三明治的“奶酪”由魔角石墨烯組成——兩個石墨烯片，頂部相對于底部片以 1.1 度的“魔角”輕微旋轉(zhuǎn)。在這個結(jié)構(gòu)之上，他們放置了一層氮化硼，與頂部石墨烯片精確對齊。最后，他們在整個結(jié)構(gòu)下方放置了第二層氮化硼，并相對于頂層氮化硼將其偏移 30 度。
然后，該團隊在施加?xùn)艠O電壓時測量了石墨烯層的電阻。與其他人一樣，他們發(fā)現(xiàn)扭曲的雙層石墨烯會切換電子狀態(tài)，在某些已知電壓下在絕緣、導(dǎo)電和超導(dǎo)狀態(tài)之間變化。
該小組沒有預(yù)料到的是，一旦電壓被移除，每個電子狀態(tài)都會持續(xù)存在而不是立即消失——這種特性被稱為雙穩(wěn)態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，在特定電壓下，石墨烯層會變成超導(dǎo)體，并保持超導(dǎo)狀態(tài)，即使研究人員移除了該電壓。
這種雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)表明超導(dǎo)性可以通過短電脈沖而不是連續(xù)電場來開啟和關(guān)閉，類似于輕按電燈開關(guān)。目前尚不清楚是什么使這種可切換的超導(dǎo)性成為可能，盡管研究人員懷疑這與扭曲的石墨烯與兩個氮化硼層的特殊排列有關(guān)，這使得系統(tǒng)能夠產(chǎn)生類似鐵電的響應(yīng)。（鐵電材料在其電性能方面表現(xiàn)出雙穩(wěn)態(tài)。）
“通過關(guān)注堆疊，您可以為魔角超導(dǎo)設(shè)備日益復(fù)雜的情況添加另一個調(diào)諧旋鈕，”克萊因說。
目前，該團隊將新的超導(dǎo)開關(guān)視為研究人員在開發(fā)用于更快、更小、更節(jié)能的電子材料的材料時可以考慮的另一種工具。
Jarillo-Herrero 說：“人們正在嘗試構(gòu)建以一種受大腦啟發(fā)的方式進行計算的電子設(shè)備。” “在大腦中，我們有神經(jīng)元，超過某個閾值，它們就會放電。同樣，我們現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種讓魔角石墨烯突然切換超導(dǎo)性的方法，超過某個閾值。這是實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計算的關(guān)鍵特性。”
這項研究得到了美國空軍科學(xué)研究辦公室、美國陸軍研究辦公室以及戈登和貝蒂摩爾基金會的部分支持。
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
