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超导:石墨烯解锁的新技能

2021-09-13 科技日报

2021年9月1日,美国加州大学圣巴巴拉分校Andrea F. Young课题组连续在《自然》杂志背靠背发表两篇论文,报道了他们在菱面三层石墨烯发现超导的最新突破。

  2021年9月1日,美国加州大学圣巴巴拉分校Andrea F. Young课题组连续在《自然》杂志背靠背发表两篇论文,报道了他们在菱面三层石墨烯发现超导的最新突破。值得一提的是,两篇论文的第一作者都是中国科学技术大学少年班的留学生周昊欣。

  2018年,毕业于中国科学技术大学,被誉为“天才少年”的曹原,在魔角扭曲的双层石墨烯中首先发现新的电子态,一举打开了非常规超导体研究的大门。

  “此次报道的两篇论文当中,第一篇论文中,研究团队在菱面三层石墨烯中发现超导性,在亚开尔文温度下表现为低电阻率或消失电阻率。第二篇论文,研究团队在菱面三层石墨烯中发现‘半金属’”和‘四分之一金属’。”合肥工业大学微电子学院电子科学系副主任于永强副教授表示,此次晶体菱面三层石墨烯超导现象的发现,为石墨烯超导的研究带来更多的可能性。

  石墨烯的新技能

  超导体早已经广泛应用在日常生活的方方面面。例如,它们是核磁共振成像仪器和磁悬浮列车中的必要组件;还可用于制造传输和储存能量长达数百万年的电力线路及装置等等。

  石墨烯是由一层碳原子组成六边形结构的二维原子晶体,由于石墨烯优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种革命性的材料。

  而超导石墨烯的出现开辟了更多的可能性。例如可以用于超高速计算机中的新型超导量子设备。

  “石墨烯具有极高载流子迁移率的零带隙半导体,并具有完美的狄拉克锥形能带结构,它的导带和价带具有重合的狄拉点。”于永强告诉记者,科学家可以通过叠套方法和较弱的范德瓦尔斯力将石墨烯层与层套叠在一起。

  “在叠套过程中,可将层间扭曲一定角度。通过改变层间扭曲角度,可以改变套叠石墨烯体系的微观电子结构,从而改变体系的物理性能。”于永强表示,石墨烯本身不具有超导特性,但石墨烯独特的能带结构,高载流子迁移率以及可通过人工层状原子堆垛方法,实现扭曲角度而调控套叠石墨烯体系的微观电子结构等特性,使其具备实现超导潜能。

  于永强告诉记者,由于石墨烯是零带隙高迁移率半导体,单层石墨烯具有高的导电性,良好的光学特性以及量子霍尔效应等物理特性。“相对于单层石墨烯,双层石墨烯和多层石墨烯的导电性通常优于单层石墨烯。”于永强表示,套叠的双层或多层石墨烯,可以通过人工层状原子堆垛改变层间扭曲角度,可改变体系的导电特性,实现从绝缘体-导体-超导体的转变。

  轻轻扭动一个“魔角”,让石墨烯实现超导性

  2018年3月5日,顶级期刊《自然》连发两篇文章,报道了石墨烯领域的重大发现:当两层平行石墨烯堆成约1.1度的微妙角度时,就会产生神奇的超导效应,为超导体的实际应用打开了新世界的大门。

  曾经困扰物理学家多年的高温超导难题,因为该研究发现迎刃而解!这一发现,轰动了当时的国内外学术界,同时也开辟了凝聚态物理的一块全新领域,为研究电子与电子之间的关联效应,提供了全新的、开辟性的理论基础。这就是魔角石墨烯!

  而这两篇《自然》论文的第一作者,就是来自中国科学技术大学少年班的曹原。曹原也因此登上了2018年《自然》杂志的年度十大科学人物,并位列榜首!

  “魔角扭曲石墨烯是将第一层石墨烯放置在第二层石墨烯上,然后将第一层石墨烯旋转大约1.1度的角度。简单来说就是把一块石墨烯断成两块,把其中一块相对于另一块转一个角度,然后再把两块叠起来。”于永强告诉记者,魔角扭曲石墨烯可以在原子尺度获得莫尔超晶格,这种物理结构会产生能量状态,阻止电子分开,迫使它们相互作用。基于当前的超导理论,超导行为被认为是源自电子之间的强相互作用。

  “具有超晶格的存在的魔角扭曲石墨烯,在门电压的调控下,可连续调控其载流子浓度,同时在更低的温度时(约为1.7 K),达到超导特性的电子临界浓度,电子间将出现强的相互作用,获得超导特性。”于永强说。

  于永强强调,要观察到魔角扭曲石墨烯超导现象,首先需要获得扭曲角度约1.1 度的莫尔超晶格体系,在低温条件下(约为1.7K),然后可通过门电压调控技术等调控其载流子浓度,实现超导特性。

  晶体菱面三层石墨烯更具超导性

  今年年初,已经成为博士后的曹原再次以共同第一作者身份,在《自然》上报道了在三层石墨烯组成的“三明治”中观察到超导性。在新的三层结构中,中间一层石墨烯相对于外层以新的角度扭转,其超导性比双层结构更稳定。

  也是基于发现扭转双层石墨烯中可能产生超导性之后不久,就有理论物理学家提出,在三层或更多层石墨烯中也可能看到相同的现象而衍生的科学研究。

  2021年9月1日,这种菱面体三层石墨烯在短短7个月的时间,再次在《自然》上背靠背连发两篇文章。这两篇论文的第一作者,正是曹原在中国科学技术大学少年班的师弟周昊欣。

  “此次报道提出的晶体菱面三层石墨烯,中间一层石墨烯相对于外层石墨烯以魔角大约是 1.57度,约是魔角扭曲石墨烯的2 倍,在温度为0.1 K时, 实现超导特性。”于永强告诉记者,超导特性与每个莫尔单元中的对称性破缺相有关,超导相被抑制和限制在部分包围对称破缺相。“相对于魔角扭曲石墨烯,晶体菱面三层石墨烯具有更好的电子结构的可调控性和超导特性。”于永强说。

  “铁磁性在过渡金属化合物中最常见,其中电子占据高度局部化的 d 轨道。然而,铁磁有序也可能出现在低密度二维体系电子系统。”于永强告诉记者,此次论文中研究者展示了菱面体三层石墨烯中的门调谐范霍夫奇点,将电子系统的自发铁磁极化驱动为一种或多种自旋(Spin)电子和谷(Valley)电子特征。

  于永强告诉记者,使用电容和电子迁移测量,研究者观察到相之间的一系列密度和电子位移场调谐跃迁,其中量子振荡具有四倍、两倍或一倍的简并性,分别于与自旋和谷简并正常金属,自旋极化的“半金属”,以及自旋和谷极化的“四分之一金属”相关。

  通常认为,半金属在化学元素周期表中处于金属向非金属过渡的位置,物理性质和化学性质介于金属和非金属之间。

  “值得注意的是,他们发现同位旋顺序只是微弱的扰动,每当在半或四分之一超晶格带填充出现流动的半或四分之一金属态时,莫尔势能催化拓扑非平凡带隙态的形成。”于永强表示,论文的研究结果表明,菱形石墨烯是控制良好的多体理论测试的理想平台,并揭示了莫尔材料中的磁性本质上是流动的。

  “简单来说,魔角扭曲石墨烯可以简单实现绝缘体到超导体的转变,而菱面三层石墨烯中发现了‘半金属’和‘四分之一金属’”。于永强进一步解释说,这是由于电子在磁场下会转换成量子态,材料的电阻率发生振荡,当量子振荡具有四倍、两倍或一倍的简并性时,就分别对应着正常金属、“半金属”,以及“四分之一金属”。

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