物理学家揭示石墨烯是绝缘体和超导体

麻省理工学院和哈佛大学的物理学家发现石墨烯，花边，蜂窝状碳原子，可以在两个电极上表现：作为绝缘体，其中电子完全堵塞流动;作为超导体，其中电流可以通过不具有阻力流流。由研究人员礼貌

很难相信，单个材料可以通过作为石墨烯可以的最高版本描述。自2004年的发现以来，科学家们发现，l l，蜂窝状的碳原子张 - 基本上是最具微观的铅笔铅的铅笔，你可以想象 - 不仅仅是世界上已知的最薄的材料，还令人难以置信的光明和灵活，比钢更强的数百次，比铜更具导电。

现在，麻省理工学院和哈佛大学的物理学家发现了奇迹材料可以表现出更加好奇的电子特性。在今天发表的两篇论文中，该团队报告了它可以调整石墨烯在两个电极上表现出色：作为绝缘体，其中电子完全阻挡流动;作为超导体，其中电流可以通过不具有阻力流流。

过去的研究人员包括该团队，能够通过将材料与其他超导金属接触来合成石墨烯超导体 - 一种允许石墨烯继承一些超导行为的布置。这次，团队发现一种方法可以自己制作石墨烯超导，证明超导可以是纯碳基材料中的内在质量。

物理学家通过创建堆叠在一起的两个石墨烯片的“超晶格”来实现这一点 - 彼此的顶部，但是稍微旋转，以1.1度的“魔法角度”稍微旋转。结果，覆盖的六边形蜂窝图案略微偏移，产生精确的MoiRé配置，预测石墨烯片中电子之间的奇异“强烈相关的相互作用”。在任何其他堆叠的配置中，石墨烯喜欢保持不同，与其相邻层相互作用或以其他方式相互作用。

该团队，由Pablo Jarillo-Herrero的MIT副教授LED，发现当以魔法旋转时，两张石墨烯表现出非导电行为，类似于称为Mott绝缘体的异乎寻常的材料。当研究人员然后施加电压时，向石墨烯超晶格添加少量电子时，它们发现，在一定水平时，电子从初始绝缘状态突出并流动而不电阻，仿佛通过超导体。

“我们现在可以使用石墨烯作为调查非传统超导性的新平台，”Jarillo-Herrero说。“人们还可以想象从超导到绝缘的石墨烯外，将超导晶体管从石墨烯上进行操作。为量子设备开辟了许多可能性。“

当一个石墨烯晶格略微以“魔角”略微旋转时，形成莫尔图案的大规模解释，相对于第二石墨烯晶格。

30年间差距

材料进行电力的能力通常以能量带表示。单个带表示材料的电子可以具有的一系列能量。频带之间存在能量差距，并且当填充一个频带时，电子必须体现额外的能量以克服这种间隙，以占据下一个空频段。

如果最后占用的能带完全充满电子，则将材料被认为是绝缘体。另一方面，电导体如金属，呈现部分填充的能带，具有空能量状态，电子能够填充自由移动。

然而，Mott Insululator是一类从其带结构进行电力的材料，但在测量时，它们表现为绝缘体。具体地，它们的能量带是半填充的，但由于电子之间的强静电相互作用（例如彼此排斥等等的电荷），材料不会导电。半填充带基本上分成两个微型，几乎扁平的带，电子完全占据一条带并离开另一个空，因此表现为绝缘体。

“这意味着所有电子被阻挡，所以它是一种绝缘体，因为电子之间的强烈排斥，所以Jarillo-Herrero解释说，”Jarillo-Herrero解释说。“为什么Mott Insulator重要？事实证明，大多数高温超导体的母体化合物是一种薄荷的绝缘体。“

换句话说，科学家们已经找到了操纵Mott绝缘体的电子特性的方法，以将它们变成超导体，在约100个开尔文的相对较高的温度下。为此，它们用氧气化学“掺杂”材料，其原子吸引电子绝缘体中的电子，留下更多的空间来剩余电子流动。当添加足够的氧气时，绝缘体变形成超导体。Jarillo-Herrero说，发生这种过渡的过渡是多么的谜团。

“这是一个30年来的问题，并计数，未解决，”Jarillo-Herrero说。“这些高温超导体已经研究过死亡，并且它们具有许多有趣的行为。但我们不知道如何解释它们。“

精确的旋转

Jarillo-Herrero和他的同事寻找一个更简单的平台来研究这种非传统的物理学。在研究石墨烯中的电子特性时，团队开始使用简单的石墨烯片来玩。研究人员通过首先从石墨中剥离一片石墨烯来创造两张超晶图，然后用涂有粘性聚合物的玻璃载玻片和氮化硼绝缘材料仔细拾取半片。

然后它们非常略微旋转玻璃载玻片，并拾取了石墨烯片的下半部分，将其粘附到上半部分。通过这种方式，它们创建了一种具有偏差模式的超晶格，其与石墨烯的原始蜂窝格不同。

该团队重复了该实验，创建了几个“设备”或石墨烯超大图，具有各种旋转角度，在0到3度之间。它们将电极连接到每个器件并测量通过的电流，然后绘制了装置的电阻，给出了通过的原始电流的量。

“如果你旋转角度下降0.2度，那么所有物理都消失了，”Jarillo-Herrero说。“没有出现超导或卷筒模仿。所以你必须用对齐角度非常精确。“

在1.1度 - 已经预测为“魔法角度”的旋转 - 研究人员发现石墨烯超晶格以电子方式类似于扁平带结构，类似于Mott绝缘体，其中所有电子携带相同的能量，而不管它们的动量如何。

“想象一下汽车的势头是质量时代速度，”Jarillo-Herrero说。“如果您每小时30英里的行驶，您有一定程度的动能。如果您每小时驾驶60英里，则能量更高，如果您崩溃，则可能会使一个更大的对象变形。这件事在说，无论你每小时都有30或60或100英里，他们都会有相同的能量。“

“免费潮流”

对于电子来说，这意味着，即使它们占用半填充的能带，即使是半填充的能带，也不具有比任何其他电子的能量更多，以使其能够在该频带中移动。因此，即使这种半填充的频带结构应该像导体一样，它也表现为绝缘体 - 更精确地，更准确地说，是一种薄荷的绝缘体。

这给了团队一个想法：如果他们可以将电子添加到这些味道的超晶格，类似于科学家掺杂与氧气的莫特绝缘体如何将它们变成超导体？石墨烯是否会依次承担超导质量？

要找出，它们将小栅极电压施加到“魔法角图石墨烯超晶格”，为结构增加了少量电子。结果，与石墨烯中的其他电子一起结合的近在一体，允许它们在它们不能之前流动。在整个过程中，研究人员继续测量材料的电阻，并且发现当它们添加一定的少量电子时，电流流动而不会耗散能量 - 就像超导体一样。

“你可以免费流动，没有能量浪费，这显示石墨烯可以是超导体，”Jarillo-Herrero说。

也许更重要的是，他表示，研究人员能够调整石墨烯，以表现为绝缘体或超导体，以及在一个单一器件中表现出所有这些PERSE属性。这与其他方法形成鲜明对比，其中科学家必须生长和操纵数百个辛晶体，每个方法可以使每个晶​​相能够表现出来。

“通常，你必须种植不同的材料探索每阶段，”Jarillo-Herrero说。“我们在纯碳装置中在一个射击中就地这样做。我们可以电动探索一个设备中的所有这些物理，而不是必须制造数百个设备。它无法变得更简单。“

该研究部分受到戈登和贝蒂摩尔基金会和国家科学基金会的支持。

刊物：

袁曹，等，“魔法角图石墨烯超晶体中的非传统超导，”自然，2018; DOI：10.1038 / Nature26160-曹，等人，“在魔法角图石墨烯超晶格半填充的”相关绝缘体行为“，”自然“，2018; DOI：10.1038 / Nature26154