石墨烯材料下一站！MIT成功實現單個電子和光子的基礎元件開發

2020-12-14 DeepTech深科技

2018 年，MIT 的一支團隊曾實現通過讓兩張厚度為單個碳原子直徑的石墨烯薄片疊在一起，並讓兩張的相對朝向呈一特定傾角，再對薄片施加電場，使疊起來的石墨烯薄片能從導體變為絕緣體然後再變為超導體，該研究象徵著一個 「用單一化學材料構建電子元件」 的新興材料研究領域 「Twistronics」 的誕生。

石墨烯材料性質發生變化的關鍵在於薄片被扭動的角度，當薄片被旋轉 1.1° 時，材料表面會出現大範圍的 「摩爾紋」 圖案，這會使成千上萬聚在一起的原子對外界的反應一致，並通過這種原子群的 「群體反應」 使一定數量的電子能被施加的電場擺到特定位置，進而實現材料本身特性從導體到絕緣體、再到超導體的轉變。

圖 | 一層石墨烯薄片被精準旋轉後與另一層沒旋轉的薄片交叉形成的摩爾紋圖案示意圖（ 來源：Science）

目前，包括 MIT 的團隊在內，Twistronics 領域的兩支頂級團隊正致力於用調整過疊放狀態的石墨烯構建電子元件，並已成功實現能捕獲和控制單個電子和光子的基礎元件開發。

而根據一篇於最近發表的論文，上述兩支團隊的研究人員已成功實現通過拍打金屬的特性 「開關」 圖案，來使薄片的不同區域受不同強度的電場影響並形成不同特性，他們還藉此構建出一種名為 Josephson 的裝置，這是一種兩層超導夾著一層非超導的三明治結構裝的用於控制材料超導性的裝置，常被用於製造磁感腦電信號監測設備的超敏磁力計。

圖 | 近期發表的論文

此外，研究人員還開發了一種基於該方法的可控制電子運動的電晶體，未來或可用於縮小電路構造並降低電路的耗能。

目前來看，這種石墨烯材料構建電子元件的方法，短期內可能還無法進軍消費類矽制電子產品，雖然石墨烯材料本身在製造上很容易（最簡單的方法是把強力膠帶貼在石墨上然後再撕下來），但若想實現石墨烯的超導則需要將其保存在接近絕對零度的環境中，而由於石墨烯薄片容易在被旋轉的過程中「起皺」，將薄片精準地旋轉一個角度也並不容易，因此目前業內尚無能將這種材料用於量產電子元件的有效方法。

參與研究的團隊負責人 Jarillo-Herrero 說：「按這種方法製造一個真正意義上的複雜設備需要成千上萬的石墨烯襯底，但我們目前並沒有技術製造這麼多石墨烯襯底並將它們按所需的方式組合在一起。」

雖然我們目前離用石墨烯材料製造電子元件還有一段距離，但用這種方法製造的好處在於材料中所有的原子都是碳，並不存在現有混合材料研發所需面臨的元素搭配問題，這是因為不同元素按不同方法和形式搭配，可能會對結果帶來不同影響。

這相當於是為材料學家們在材料性質的操控上提供了一種 「前所未有」 的自由度，而如果這種自由度在未來真的能被實現，基於石墨烯的純碳電子元件將有望能簡化量子計算機的設計，比如谷歌和 IBM 的量子計算機都是通過同時操控多個 Josephson 裝置來構建量子位，而基於石墨烯的純碳 Josephson 裝置則有望能使量子位的構建變得更簡單。

此外，哈佛大學的一支團隊在今年 4 月時曾提出一種基於石墨烯材料的單個紅外光子的檢測設備，其能幫助天文學家們在天文研究中捕獲早期宇宙所放出的微弱光信號。

雖然基於石墨烯材料的純碳元件製造領域仍處於起步階段，但其在未來能為材料學帶來影響或是 「革命性」 的。Twistronics 領域的開創團隊之一的負責人、美國新澤西州 Rutgers 大學的凝聚態物理學家 Eva Andrei 說：「這是一種不用藉助化學（不同元素的材料混合方法）就能製造材料的方法，材料學的發展或已因此進入一個新的時代。」

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