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今日《Nature》重磅:一种超导石墨烯可以演奏多种“曲调”!
点击次数:218  更新时间:2019-07-18  【打印此页】  【关闭

  最新消息,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室、复旦大学、斯坦福大学的一个研究团队开发出一种全新的石墨烯装置,它比人类头发更细,但具有特殊的特性。它可以轻松地从可以导电的超导材料切换到阻止电流流动的绝缘体,过程中不会损失任何能量,然后再转换回超导体,所有这些都可以通过简单的开关轻松切换。他们的研究结果今天在《Natuere》杂志上发表。

石墨烯/氮化硼莫尔超晶格材料由夹在二维氮化硼层(红色和蓝色)之间的三个原子级薄(2D)石墨烯(灰色)层组成,形成称为莫尔超晶格的重复图案。 浅绿色圆圈表示超导性


  该研究由美国劳伦斯-伯克利国家实验室的王枫、复旦大学的张远波以及斯坦福大学的D. Goldhaber-Gordon等合作共同完成。研究人员使用了稀释制冷机(dilution refrigerator),它可以达到40毫开尔文,或接近零下460华氏度的强冷温度 ,这是将石墨烯/氮化硼器件冷却到研究人员预期超导电性出现在Mott绝缘体相附近的温度。

  一旦设备达到4开尔文(零下452华氏度)的温度,研究人员就会在设备的微小顶部和底部门上施加一系列电压。正如他们所预料的那样,当他们向顶部和底部栅极施加高垂直电场时,电子填充石墨烯/氮化硼器件的每个单元。这导致电子稳定并保持在原位,电子的这种“定位”将器件转变为莫特绝缘体。

通过光学显微镜观察的三层石墨烯/氮化硼异质结构器件的两个视图。 金,纳米制造的电触点以黄色显示; 二氧化硅/硅衬底显示为棕色; 氮化硼薄片以绿色显示。 三层石墨烯器件封装在两个氮化硼薄片之间。



  然后,他们施加更高的电压。令他们高兴的是,第二次的测量读数表明电子不再稳定。相反,他们正在穿梭,从一个位置移动到另一个位置,并在没有损失或阻力的情况下导电。换句话说,该器件已从Mott绝缘体相切换到超导体相。

  Chen解释说,氮化硼莫尔超晶格以某种方式增强了当电压施加到器件时发生的电子- 电子间的相互作用,这种效应会导致其产业超导相。这个过程也是可逆的 - 当较低的电压施加到栅极时,器件会从超导体切换回绝缘状态。

  这个多功能的设备为科学家提供了一个微小的多功能操控平台,用于研究奇异的新型超导材料中原子和电子之间的精妙相互作用,可用于研究量子计算机- 存储和操纵量子位信息的计算机,这些计算机通常是由亚原子粒子,如电子或光子  - 以及新的Mott绝缘体材料制备,有朝一日可以制造用于微电子的微型2-D Mott晶体管。

  “这个结果对我们来说非常令人兴奋。我们从未想过石墨烯/氮化硼器件可以做得这么好,”陈说。“你可以研究几乎所有的东西,从单颗粒到超导。这是我研究新物理学的最佳系统,”陈说。

  这项研究得到了材料量子相干新途径中心(NPQC)的支持,NPQC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汇集了伯克利实验室,阿贡国家实验室,哥伦比亚大学和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员,研究量子相干性如何在三层石墨烯等新材料中出现意外现象,并着眼于未来在量子信息科学和技术中的应用。

  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。


论文信息:

                    *Guorui Chen et al, Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré superlattice, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1393-y

                                                         



                                                                                                                                                                                                                                

                                                                                                                              资料来源:石墨烯资讯编辑整理