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美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科學家開發了一種石墨烯裝置，它比人的頭髮還薄，還具有深度特殊的特性。它可以很容易地從導電而不損失任何能量的超導材料，切換到阻擋電流的絕緣體，然後再回到超導材料——所有這一切都只需要簡單地翻轉一個開關，其研究發現發表在《自然》上。通常，當有人想研究電子在超導量子相和絕緣相中的相互作用時，需要研究不同的材料。
伯克利實驗室材料科學部的教授，也是加州大學伯克利分校的物理學王教授說：通過該系統，可以在一個地方同時研究超導相和絕緣相。石墨烯器件由三層原子厚度(二維)石墨烯構成，當夾在二維氮化硼層之間時，會形成一個重複的圖案，稱為莫爾超晶格。這種材料可以幫助其他科學家理解高溫超導現象背後的複雜力學原理。高溫超導現象是指一種材料可以在高於預期的溫度下導電，儘管溫度仍然低於冰點數百度。
在之前的一項研究中，科學家觀察了由三層石墨烯製成裝置中Mott絕緣體的特性。Mott絕緣體是一類在冰點以下數百度時不導電的材料，儘管經典理論預測其電導率。但長期以來，人們一直認為Mott絕緣體可以通過添加更多的電子或正電荷來實現超導。在過去的10年裡，研究人員一直在研究將不同的二維材料結合起來的方法，通常從石墨烯開始。石墨烯是一種以高效導熱和導電而聞名的材料。在這項研究之外，其他研究人員還發現，石墨烯形成的莫爾超晶格具有奇異物理特性。
打開通往物理學新世界的大門
比如當層以合適的角度排列時，就會產生超導性。因此，在這項研究中，如果三層石墨烯系統是Mott絕緣體，它也能是超導體嗎？研究人員與史丹福大學的David Goldhaber-Gordon、史丹福大學材料與能源科學研究所SLAC國家加速器實驗室的David Goldhaber-Gordon以及復旦大學的yubo Zhang合作，使用了稀釋冰箱，石墨烯/氮化硼器件的溫度可以達到接近華氏零下460度，從而使石墨烯/氮化硼器件降溫到研究人員預期超導性出現在Mott絕緣體相附近的溫度，一旦該設備達到4開爾文(零下452華氏度)的溫度。
研究人員在該設備頂部和底部微小門上施加了一系列的電壓。正如他們所料，當在頂部和底部的柵極上都施加一個高垂直電場時，石墨烯/氮化硼裝置的每個單元都充滿了一個電子。這使得電子穩定並停留在原地，這種電子的「定位」將設備變成了Mott絕緣體。然後施加了更高的電壓，令他們高興的是，第二次讀數表明電子不再穩定。相反，它們在細胞間穿梭，在沒有損耗和阻力的情況下導電。換句話說，該器件已經從Mott絕緣體相切換到超導體相。氮化硼莫爾超晶格在某種程度上增加了電子與電子之間的相互作用。
這種作用是在施加電壓時發生，這種作用會改變器件的超導相。它也是可逆性的——當一個較低電壓被施加到門上，設備會切換回絕緣狀態。這種多任務處理設備為科學家們提供了一個小型、多功能的遊樂場，用於研究奇異新型超導材料中原子和電子之間微妙的相互作用，這種新型超導材料在量子計算機中具有潛在的用途。計算機以量子位(通常是電子或光子等亞原子粒子)存儲和操縱信息——以及新型莫特絕緣體材料，有朝一日可能使微型二維莫特電晶體成為現實。
研究人員從未想過石墨烯/氮化硼裝置會做得這麼好，可以用它研究幾乎所有的東西，從單個粒子到超導性。這是研究人員所知道最好的，學習新型物理的系統。這項研究得到了材料中量子相干新途徑中心(NPQC)的支持，該中心是伯克利實驗室領導的能源前沿研究中心，由美國能源部科學辦公室資助。NPQC將伯克利實驗室、哥倫比亞大學阿貢國家實驗室和加州大學聖巴巴拉分校的研究人員聚集在一起，研究三層石墨烯等新材料中量子相干現象是如何形成的，並著眼於量子信息科學和技術的未來應用。
博科園｜研究/來自：勞倫斯伯克利國家實驗室參考期刊《自然》DOI: 10.1038/s41586-019-1393-y博科園｜科學、科技、科研、科普