由原子級石墨烯層和氮化硼層堆疊而成的moiré超晶格。綠色圓圈指代超導性。
eurekalert.org網站7月17日報導，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的研究人員開發了一種新型石墨烯裝置，雖然其厚度比人類頭髮直徑還小，但卻擁有非常奇特的性質：研究人員只需簡單地「翻轉開關」，石墨烯裝置就能實現從超導體到絕緣體再到超導體的切換。相關研究成果刊登於《自然》雜誌。論文第一作者、Feng Wang實驗室博士後研究員Guorui Chen說：「通常情況下，如果科學家想研究電子在超導量子相和絕緣相中的相互作用，他們需要對不同的材料展開研究。採用我們的系統，科學家們就可以在一種材料中同時研究超導相和絕緣相了。」Wang是該項目的負責人，也是LBNL和加州大學伯克利分校教授。
這種特殊的石墨烯器件主要由原子厚度的石墨烯層和二維氮化硼層構成。兩種二維材料形成的重複圖案稱為moiré超晶格。研究人員可以藉助石墨烯器件探索高溫超導現象背後複雜的原理。在此前的研究中，研究人員曾對由三層石墨烯製成的裝置中的Mott絕緣體的特性進行了觀測。Chen解釋說，長期以來，科學家們一直認為通過在Mott絕緣體中添加更多的電子或正電荷，可以實現超導。
在過去的10年中，研究人員一直在研究如何能使不同的二維材料結合在一起。他們的研究首選是石墨烯：石墨烯因其良好的導熱、導電性能而聞名於世。曾有研究人員發現，石墨烯形成的moiré超晶格具有非常奇特的物理特性，例如當石墨烯層以特定角度排列時，可以產生超導現象。Chen說：「因此，在這項研究中，我們有了這樣的疑問：既然三層石墨烯系統可以是Mott絕緣體，那麼它也可能是超導體嗎？」
Chen的團隊與史丹福大學的David Goldhaber和復旦大學的yubo Zhang等合作，利用稀釋制冷機為石墨烯/氮化硼器件製造了40毫開爾文的低溫環境。研究人員預計在這一溫度附近，材料有可能出現Mott絕緣體超導性。當設備冷卻至4開爾文時，研究人員在設備的頂部和底部的柵極上施加了電壓。正如他們所料，在高垂直電場作用下，石墨烯/氮化硼裝置的每個單元都會具有一個電子。電子穩定地停留在單元格內，形成Mott絕緣體。隨後，研究人員提高了電壓值，他們驚喜地發現電子已經不再穩定了：電子開始在單元格間自由穿梭。換句話講，器件已經從Mott絕緣體切換到了超導體。Chen解釋說，氮化硼moiré超晶格在某種程度上增強了電子間的相互作用，這種相互作用是在施加電壓時發生的。此時的絕緣-超導特性是可逆的——當電壓降低時，設備又會切換回絕緣態。
石墨烯/氮化硼設備將為科學家們提供微型的多功能「實驗室」，使他們對「精緻」的原子間/電子間相互作用有更深刻的認識。量子計算機和Mott絕緣體新材料可能都會因此受益。Chen說：「這個結果讓我們非常興奮。石墨烯/氮化硼裝置的表現超乎我們的想像。它幾乎可以用於研究任何東西——不論是單個粒子還是超導性。這是我所了解到的最好的研究物理學新理論的系統。」
科界原創
編譯：雷鑫宇
審稿：alone
責編：唐林芳
期刊來源：《自然》
期刊編號：0028-0836
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