石墨烯是什麼?石墨烯夾雜在超導體之間的奇異變化

2020-11-25 電子發燒友

　　石墨烯高性能光學器件可用於成像、顯示、傳感器和高速通信。題為「由碳化矽襯底與微米量級石墨烯結合製成的光電電晶體的位置依賴和毫米範圍光電探測」的論文發表在《自然納米技術》雜誌。該項目受到美國國家科學基金會和美國國土安全部的聯合資助，同時，它也受到國防威脅降低局的資助。

　　極薄碳層具有獨特的光學和電子性質，石墨烯有希望製成高性能光電器件。然而，通常的石墨烯光電探測器僅有一小塊區域對光束敏感，這限制了其應用。

　　

　　普渡大學陳勇教授說：「為解決該問題，研究人員將石墨烯與相對較大的SiC襯底相結合，製成了石墨烯場效應電晶體，光可以將其激活。」

　　高性能光電探測器可用於高速通信、超靈敏相機、傳感和可穿戴電子器件。基於石墨烯的電晶體陣列可以實現高解析度成像和顯示。

　　密西根大學核工程與放射科學Igor Jovanovic教授說：「大部分相機需要很多像素點，然而，我們的方法使得超靈敏相機成為可能。雖然它的像素點相對較少，但是解析度很高。」

　　Jovanovic教授說：「在通常的石墨烯光電探測器中，光響應僅發生在石墨烯附近的特定位置（該區域比器件尺寸小得多）。然而，對許多光電器件應用而言，希望在更大的區域上獲得光響應和位置靈敏度。」

　　新發現表明，該器件可在非局部區域對光敏感，甚至當光照在距石墨烯至少500µm 的碳化矽襯底上時也對光敏感。光響應和光電流可增加差不多10倍，這取決於照射哪一部分材料。此外，光電電晶體新技術也是位置靈敏的，因此它可以確定光線到達的位置（對於成像應用和探測器非常重要）。

　　

　　這是首次證明在較大的碳化矽晶片上使用一小塊石墨烯實現非局部光電探測，因此光不必擊中石墨烯本身。光線可以入射在一個更大的區域，幾乎是一毫米，之前沒有人做過相關研究。

　　將電壓施加在碳化矽背面和石墨烯之間，在碳化矽中建一個電場。入射光在碳化矽中產生光載流子。

　　該研究與開發石墨烯傳感器工作有關，石墨烯傳感器可用於檢測輻射。

　　麻省理工學院的物理學家發現：當石墨烯薄片與兩種超導材料緊密接觸時，它便可以繼承一些材料的超導特性。當石墨烯夾在超導體之間時，即使是在中心區域，其電子狀態也會發生巨大的變化。上圖為實驗原理和裝置示意圖。

　　在常規的導電材料（例如銀和銅）中，電流的流動程度隨著電阻的不同而發生變化，以帶有像桌球樣缺陷的單個電子的形式，一邊流動，一邊消耗著能量。相比之下，超導體材料中的電流則是通過電子配對和移動的方式通過材料，在此過程中不會產生摩擦，因此超導體能夠以無阻力的方式來傳導電子。

　　現在，麻省理工學院的物理學家們發現，當石墨烯薄片與兩種超導材料緊密接觸時，它便可以繼承一些材料的超導特性。當石墨烯夾在超導體之間時，即使是在中心區域，其電子狀態也會發生巨大的變化。

　　

　　研究人員發現，石墨烯的電子在先前表現為單獨的散射粒子，而不是在「Andreev狀態」中配對--Andreev states是一種基本的電子配置方式，其允許傳統的非超導材料承載「超電流」（超電流即為流動但卻不耗散能量的電流）。

　　他們的科研成果發表在本周的Nature Physics雜誌上，這也是關於二維材料，如石墨烯中超導性的「鄰近效應」造成Andreev狀態的第一次調查。

　　通過不斷地研究發現，科學家們構想的這一石墨烯平臺不僅能夠被用於探索外來粒子，例如被認為在Andreev狀態下出現的馬約拉納費米子（要求反對稱波函數的粒子，如電子，叫做費米子；馬約拉納費米子是一種費米子，其反粒子就是它本身）。也同樣可以成為構建強大的、擁有防錯技術的量子計算機的關鍵粒子。

　　首席作者Landry Bretheau（麻省理工學院物理系的博士後）說：「在凝聚態物理領域，人們需要花大力氣去尋找奇異的量子電子狀態，特別是被稱為』馬約拉納費米子』的新粒子，這種新粒子預計會出現在與超導電極連接，並暴露於大磁場的石墨烯中，隨著我們將其中的一些成分統一起來，我們的實驗又有了很大的進展。」

　　蘭德裡的麻省理工學院的合著者是Joel I-Jan Wang博士，訪問學者Riccardo Pisoni，物理學副教授Pablo Jarillo-Herrero，以及日本國立材料科學研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

　　

　　超導鄰近效應

　　1962年，英國物理學家Brian David Josephson預測，當非超導層夾在兩個超導體之間時，便可以繼承電子對的超電流，而不會產生任何的外部電壓。

　　總的來說，與Josephson效應相關的超電流理論已經在許多實驗中被測試過。但是，Andreev狀態顯示，僅在少數系統中可以觀察到超級電流的微觀結構單元，例如在銀導線中；而在二維材料中則從來沒有觀察到超級電流的微觀結構單元。

　　Bretheau，Wang和Jarillo-Herrero通過使用石墨烯——超薄的相互連接的碳原子片作為非超導材料來解決這個問題。Bretheau解釋說：「石墨烯是一種非常「乾淨」的系統，表現出很少的電子散射性。由於上述非超導材料與超導體接觸，石墨烯擴展的原子結構還使科學家能夠測量石墨烯的Andreev 電子狀態。科學家們也可以控制石墨烯中的電子密度，並研究它是如何影響超導鄰近效應的。

　　研究人員從大塊的石墨中剝下了僅有幾百納米的石墨烯薄片，並將薄片放置在用石墨片覆蓋的氮化硼晶體製成的小平臺上。在石墨烯片的任一端，他們放置了由鋁製成的在低溫下表現為超導體的電極。然後，他們將整個結構放置在稀釋制冷機中，並將鋁在超導範圍內的溫度降至20 millikelvin。

　　

　　配對受挫的電子狀態

　　在他們的實驗中，研究人員通過對整個結構應用變化的磁場，來改變流動在超導體之間的超級電流的大小。它們還將外部電壓直接施加到石墨烯上，以改變材料中的電子數量。

　　在這些變化的條件下，該科研團隊測量了當薄片與鋁超導體接觸的時候石墨烯的電子態密度。隧道光譜技術是測量導電樣品中電子狀態密度的常用技術，研究人員能夠探測石墨烯的中心區域，甚至也會探測到石墨烯超導體的非物理性接觸區域，來了解超導體對其是否有任何影響。

　　測試結果表明，石墨烯的電子通常是作為單個粒子的形式存在的，雖然是在受挫的結構中配對，但是能量卻依賴於磁場。

　　Bretheau說：「像芭蕾一樣，超導體中的電子完美地配對，但左右超導體的舞蹈可能是不同的。處於中心位置的石墨烯電子對，因為他們試圖滿足兩種跳舞的方式，從而會感到非常受挫，這些受挫的電子對正是物理學家所熟知的Andreev狀態；就是它們攜帶著超級電流。

　　Bretheau和Wang發現Andreev狀態的能量隨著磁場的變化而改變。當石墨烯的電子密度較高並且在電極之間存在著更強的超導電流時，Andreev狀態就會變得更加顯著。

　　「Bretheau說：「超導體帶給了石墨烯一些超導特性，我們發現石墨烯中的電子會受到超導體的極大影響。」

　　

　　研究人員在低磁場下進行了實驗，他們說對於探索在高磁場下應該出現更多奇異的馬約拉納費米子方面，他們的平臺可能是一個新起點。

　　」Bretheau說：「有很多關於如何使用馬約拉納費米子粒子來構建強大的量子計算機的建議，上述粒子可能是製造拓撲量子計算機的基本磚塊，它能夠很好的防止錯誤的出現，我們的工作正是朝著這個方向邁出的堅實一步。」

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