超導(dǎo)性在“魔角”石墨烯中開啟和關(guān)閉

一個(gè)快速的電脈沖完全翻轉(zhuǎn)了材料的電子特性，開辟了通往超快、受大腦啟發(fā)的超導(dǎo)電子產(chǎn)品的途徑。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種在魔角石墨烯中開啟和關(guān)閉超導(dǎo)性的新方法。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致超快、節(jié)能的超導(dǎo)晶體管用于“神經(jīng)形態(tài)”電子產(chǎn)品，其工作方式類似于人腦中神經(jīng)元的快速開/關(guān)放電。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致超快、高能效的超導(dǎo)晶體管用于神經(jīng)形態(tài)設(shè)備——電子設(shè)備的設(shè)計(jì)方式類似于人腦中神經(jīng)元的快速開/關(guān)放電。

魔角石墨烯指的是一種非常特殊的石墨烯堆疊——一種由碳原子制成的原子薄材料，這些碳原子以類似于鐵絲網(wǎng)的六邊形圖案連接在一起。當(dāng)一片石墨烯以精確的“魔幻”角度堆疊在另一片石墨烯上時(shí)，扭曲結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生略微偏移的“波紋”圖案或超晶格，能夠支持許多令人驚訝的電子行為。

2018 年，麻省理工學(xué)院的 Pablo Jarillo-Herrero 和他的團(tuán)隊(duì)率先展示了魔角扭曲雙層石墨烯。他們表明，當(dāng)他們施加一定的連續(xù)電場(chǎng)時(shí)，新的雙層結(jié)構(gòu)可以起到絕緣體的作用，就像木頭一樣。當(dāng)他們提高磁場(chǎng)時(shí)，絕緣體突然變成超導(dǎo)體，讓電子無(wú)摩擦地流動(dòng)。

這一發(fā)現(xiàn)催生了“扭曲電子學(xué)”，這是一個(gè)探索某些電子特性如何從二維材料的扭曲和分層中產(chǎn)生的領(lǐng)域。包括 Jarillo-Herrero 在內(nèi)的研究人員繼續(xù)揭示魔角石墨烯的驚人特性，包括在不同電子狀態(tài)之間切換材料的各種方法。到目前為止，這種“開關(guān)”的作用更像是調(diào)光器，因?yàn)檠芯咳藛T必須持續(xù)施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)開啟超導(dǎo)性，并使其保持開啟狀態(tài)。

現(xiàn)在，Jarillo-Herrero 和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)表明，魔角石墨烯中的超導(dǎo)性可以通過(guò)短脈沖而不是連續(xù)電場(chǎng)開啟并保持開啟。他們發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵是扭曲和堆疊的結(jié)合。

在今天發(fā)表在《自然納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上的一篇論文中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，通過(guò)在氮化硼(一種二維絕緣材料)的兩個(gè)偏移層之間堆疊魔角石墨烯，三明治結(jié)構(gòu)的獨(dú)特排列使研究人員能夠?qū)⑹┑挠枚屉娒}沖打開和關(guān)閉超導(dǎo)性。

“對(duì)于絕大多數(shù)材料，如果你移除電場(chǎng)，zzzzip，電狀態(tài)就會(huì)消失，”麻省理工學(xué)院 Cecil 和 Ida Green 物理學(xué)教授 Jarillo-Herrero 說(shuō)?！斑@是第一次制造出可以突然電氣開關(guān)的超導(dǎo)材料。這可能為新一代扭曲的、基于石墨烯的超導(dǎo)電子產(chǎn)品鋪平道路。”

他在麻省理工學(xué)院的合著者是主要作者 Dahlia Klein、Li-Qiao Xia 和 David MacNeill，以及日本國(guó)家材料科學(xué)研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。

翻轉(zhuǎn)開關(guān)

2019 年，斯坦福大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)可以將魔角石墨烯強(qiáng)制轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁狀態(tài)。鐵磁體是即使在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下也能保持其磁性的材料。

研究人員發(fā)現(xiàn)，魔角石墨烯可以以一種可以打開和關(guān)閉的方式表現(xiàn)出鐵磁特性。當(dāng)石墨烯片層疊在兩片氮化硼之間，使得石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)與氮化硼層之一對(duì)齊時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。這種排列類似于奶酪三明治，其中面包的頂部切片和奶酪方向?qū)R，但面包底部切片相對(duì)于頂部切片以隨機(jī)角度旋轉(zhuǎn)。結(jié)果引起了麻省理工學(xué)院小組的興趣。

“我們?cè)噲D通過(guò)對(duì)齊兩個(gè)切片來(lái)獲得更強(qiáng)的磁鐵，”Jarillo-Herrero 說(shuō)?！跋喾?，我們發(fā)現(xiàn)了一些完全不同的東西?！?

在他們目前的研究中，該團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)由經(jīng)過(guò)仔細(xì)傾斜和堆疊的材料組成的三明治。三明治的“奶酪”由魔角石墨烯組成——兩個(gè)石墨烯片，頂部相對(duì)于底部片以 1.1 度的“魔角”輕微旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)之上，他們放置了一層氮化硼，與頂部石墨烯片精確對(duì)齊。最后，他們?cè)谡麄€(gè)結(jié)構(gòu)下方放置了第二層氮化硼，并相對(duì)于頂層氮化硼將其偏移 30 度。

然后，該團(tuán)隊(duì)在施加?xùn)艠O電壓時(shí)測(cè)量了石墨烯層的電阻。與其他人一樣，他們發(fā)現(xiàn)扭曲的雙層石墨烯會(huì)切換電子狀態(tài)，在某些已知電壓下在絕緣、導(dǎo)電和超導(dǎo)狀態(tài)之間變化。

該小組沒(méi)有預(yù)料到的是，一旦電壓被移除，每個(gè)電子狀態(tài)都會(huì)持續(xù)存在而不是立即消失——這種特性被稱為雙穩(wěn)態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，在特定電壓下，石墨烯層會(huì)變成超導(dǎo)體，并保持超導(dǎo)狀態(tài)，即使研究人員移除了該電壓。

這種雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)表明，超導(dǎo)性可以通過(guò)短電脈沖而不是連續(xù)電場(chǎng)來(lái)開啟和關(guān)閉，類似于輕按電燈開關(guān)。目前尚不清楚是什么使這種可切換的超導(dǎo)性成為可能，盡管研究人員懷疑這與扭曲的石墨烯與兩個(gè)氮化硼層的特殊排列有關(guān)，這使得系統(tǒng)能夠產(chǎn)生類似鐵電的響應(yīng)。(鐵電材料在其電性能方面表現(xiàn)出雙穩(wěn)態(tài)。)

“通過(guò)關(guān)注堆疊，你可以為魔角超導(dǎo)設(shè)備日益復(fù)雜的情況添加另一個(gè)調(diào)諧旋鈕，”克萊因說(shuō)。

目前，該團(tuán)隊(duì)將新的超導(dǎo)開關(guān)視為研究人員在開發(fā)用于更快、更小、更節(jié)能的電子材料的材料時(shí)可以考慮的另一種工具。

Jarillo-Herrero 說(shuō)：“人們正在嘗試制造以一種受大腦啟發(fā)的方式進(jìn)行計(jì)算的電子設(shè)備?！? “在大腦中，我們的神經(jīng)元會(huì)在超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)發(fā)射。同樣，我們現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種方法，讓魔角石墨烯在超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)突然切換超導(dǎo)性。這是實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的關(guān)鍵特性”