很難相信單一材料可以用石墨烯那么多的最高級來描述。自2004年發(fā)現以來，科學家們發(fā)現，花邊，蜂窩狀的碳原子片-基本上是你能想象到的最微觀的鉛筆剃須-不僅是世界上最薄的材料，而且還有令人難以置信的光柔韌，比鋼強數百倍，比銅更導電。

絕緣子或超導體？物理學家發(fā)現石墨烯都是

現在，麻省理工學院和哈佛大學的物理學家發(fā)現這種奇跡材料可以表現出更加好奇的電子特性。在今天發(fā)表在“自然”雜志上的兩篇論文中，研究小組報告說，它可以調整石墨烯在兩個極端電極上的表現：作為絕緣體，電子完全阻止流動;并且作為超導體，其中電流可以無阻力地流過。

過去的研究人員，包括這個團隊，已經能夠通過將材料與其他超導金屬接觸來合成石墨烯超導體-這種布置允許石墨烯繼承一些超導行為。這一次，該團隊找到了一種單獨制造石墨烯超導的方法，證明超導性可以是純碳基材料的內在質量。

物理學家通過創(chuàng)建兩個堆疊在一起的石墨烯片的“超晶格”來實現這一目標-不是精確地在彼此的頂部，而是以1.1度的“魔角”旋轉得如此輕微。結果，重疊的六邊形蜂窩圖案略微偏移，產生精確的莫爾配置，預計會在石墨烯片中的電子之間引起奇怪的“強相關相互作用”。在任何其他堆疊配置中，石墨烯優(yōu)選保持不同，與其相鄰層非常少地電子或其他方式相互作用。

由麻省理工學院物理學副教授PabloJarillo-Herrero領導的研究小組發(fā)現，當以魔角旋轉時，兩片石墨烯表現出不導電性，類似于被稱為莫特??絕緣體的奇異材料。當研究人員隨后施加電壓，向石墨烯超晶格中添加少量電子時，他們發(fā)現，在一定程度上，電子從初始絕緣狀態(tài)中爆發(fā)出來并且沒有電阻地流動，就像通過超導體一樣。

“我們現在可以使用石墨烯作為研究非常規(guī)超導性的新平臺，”Jarillo-Herrero說。“人們還可以想象用石墨烯制造超導晶體管，你可以打開和關閉石墨烯，從超導到絕緣。這為量子器件開辟了許多可能性。”

30年的差距

材料的導電能力通常用能帶表示。單個波段代表材料電子可以具有的能量范圍。在頻帶之間存在能隙，并且當填充一個頻帶時，電子必須具有額外的能量來克服該間隙，以便占據下一個空頻帶。

如果最后占據的能帶完全被電子填充，則材料被認為是絕緣體。另一方面，諸如金屬的電導體表現出部分填充的能帶，具有空的能量狀態(tài)，電子可以填充該能量狀態(tài)以自由移動。

然而，莫特絕緣體是一類從其帶結構中導電的材料，但在測量時，它們表現為絕緣體。具體而言，它們的能帶是半填充的，但由于電子之間的強靜電相互作用(例如相互排斥的等電荷)，材料不導電。半填充帶基本上分成兩個微型，幾乎平坦的帶，電子完全占據一個帶而另一個帶空，因此表現為絕緣體。

“這意味著所有電子都被阻擋，所以它是絕緣體，因為電子之間存在強烈的排斥力，所以沒有任何東西可以流動，”Jarillo-Herrero解釋道。“為什么莫特絕緣體很重要?事實證明，大多數高溫超導體的母體化合物都是莫特絕緣體。”

換句話說，科學家已經找到了在大約100開爾文的相對較高溫度下操縱莫特絕緣子的電子特性以將它們變成超導體的方法。為此，他們用氧氣對材料進行化學“摻雜”，其原子從莫特絕緣體中吸引電子，為剩余電子留出更多空間。當添加足夠的氧氣時，絕緣體變成超導體。Jarillo-Herrero說，這種轉變究竟是如何發(fā)生的，已經有30年的歷史了。

“這是一個長達30年的問題，尚未解決，”Jarillo-Herrero說道。“這些高溫超導體已被研究過死亡，它們有許多有趣的行為。但我們不知道如何解釋它們。”

精確的旋轉

Jarillo-Herrero和他的同事們尋找一個更簡單的平臺來研究這種非常規(guī)物理學。在研究石墨烯的電子特性時，該團隊開始使用簡單的石墨烯疊層。研究人員創(chuàng)造了兩片超晶格，首先從石墨中剝離一片石墨烯，然后用涂有粘性聚合物和氮化硼絕緣材料的玻璃片仔細地拾取一半片。

然后他們非常輕微地旋轉玻璃片，并拾起石墨烯片的后半部分，將其粘附到前半部分。通過這種方式，他們創(chuàng)建了一個超晶格，其偏移圖案與石墨烯的原始蜂窩晶格不同。

該團隊重復了這個實驗，創(chuàng)造了幾個“裝置”或石墨烯超晶格，具有0到3度之間的各種旋轉角度。他們將電極連接到每個器件并測量通過的電流，然后根據通過的原始電流量繪制器件的電阻。

“如果你的旋轉角度偏離了0.2度，那么所有的物理學都消失了，”Jarillo-Herrero說道。“沒有出現超導性或莫特絕緣體。所以你必須對準角度非常精確。”

在1.1度-一個被預測為“魔角”的旋轉-研究人員發(fā)現石墨烯超晶格在電子上類似于平帶結構，類似于莫特絕緣體，其中所有電子都攜帶相同的能量，而不管它們是什么動量。

“想象一下，汽車的動力是質量乘以速度，”Jarillo-Herrero說。“如果你以每小時30英里的速度行駛，那么你就有一定的動能。如果你以每小時60英里的速度行駛，你的能量會更高，如果你發(fā)生碰撞，你可能會變形更大的物體。事實是，無論你是每小時30或60英里還是100英里，他們都會擁有相同的能量。“

“免費電流”

對于電子來說，這意味著，即使它們占據半滿能量帶，一個電子也沒有比任何其他電子更多的能量，使其能夠在該頻帶中移動。因此，即使這樣的半填充帶狀結構應該像導體一樣，它也可以表現為絕緣體-更準確地說，是Mott絕緣體。

這給了團隊一個想法：如果他們可以為這些類似Mott的超晶格增加電子怎么辦，類似于科學家如何用氧氣將Mott絕緣體摻雜成超導體?石墨烯會依次承擔超導質量嗎?

為了找到答案，他們向“魔角石墨烯超晶格”施加了一個小的柵極電壓，向結構中添加了少量電子。結果，單個電子與石墨烯中的其他電子結合在一起，使它們能夠在它們不能之前流動。在整個過程中，研究人員繼續(xù)測量材料的電阻，并發(fā)現當它們添加一定量的電子時，電流就會流動而不會耗散能量-就像超導體一樣。

“你可以免費流動電流，不浪費能源，這表明石墨烯可以成為超導體，”Jarillo-Herrero說。

也許更重要的是，他說研究人員能夠將石墨烯調整為絕緣體或超導體，以及介于兩者之間的任何階段，在一個器件中展現出所有這些不同的特性。這與其他方法形成對比，在這些方法中，科學家不得不生長和操縱數百個單獨的晶體，每個晶體都可以在一個電子相位中運行。

“通常，你必須種植不同類別的材料來探索每個階段，”Jarillo-Herrero說。“我們一次性就地采用純碳裝置進行原位制作。我們可以在一個設備中電氣地探索所有這些物理，而不必制作數百個設備。它不會變得更簡單。”