“最大的爆炸”——物理学家在扭曲的石墨烯“纳米三明治”中创造了可调谐的超导性

扭曲的石墨烯概念

结构可以揭示高温超导所需要的条件。

当两张石墨烯它们以合适的角度叠加在一起,形成了一种非常规的超导体,允许电流在没有阻力或浪费能量的情况下通过。

2018年,巴勃罗·贾里略-埃雷罗(Pablo Jarillo-Herrero)的团队首次观察到双层石墨烯中的这种“魔法角度”转变麻省理工学院。从那以后,科学家们已经搜索了其他可以类似地扭曲成超导性的材料,在“扭曲的扭曲学”的新兴领域中。在大多数情况下,除了原始扭曲的双层石墨烯之外,没有其他扭曲材料表现出超导性,直到现在。

出现在报纸上自然, Jarillo-Herrero和他的小组报告说,他们观察到了三个石墨烯薄片的夹层中的超导性,中间层相对于外层扭曲成一个新的角度。这种新的三层结构表现出比双层结构更强的超导性。

研究人员还可以通过施加和改变外部电场的强度来调整结构的超导性。通过调整三层结构,研究人员能够产生超强耦合超导性,这是一种在其他材料中很少看到的奇异类型的电行为。

“我们不清楚魔角双层石墨烯是否是特例,但现在我们知道它并非特例;在三层楼的案子中,它有一个表亲,”贾里略-埃雷罗说。“这种超调谐超导体的发现将扭转电子学领域扩展到全新的方向,在量子信息和传感技术方面有潜在的应用前景。”

他的合著者是麻省理工学院的Jeong Min Park和Yuan Cao,以及日本国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

一个新的超级家庭

在Jarillo-Herrero和他的同事们发现在扭曲的双层石墨烯中可以产生超导性后不久,理论家们提出同样的现象也可以在三层或更多层石墨烯中看到。

一片石墨烯是一个原子一层薄薄的石墨,完全由排列在蜂窝状晶格中的碳原子构成,就像最薄、最结实的铁丝网。理论家提出,如果三个石墨烯堆叠像三明治,中间层的旋转1.56度的外层,扭曲的配置将创造一种对称,鼓励电子材料配对和流无阻力——超导的标志。

“我们想,为什么不试一试,测试一下这个想法,”贾里略-埃雷罗说。

Park和Cao设计了三层石墨烯结构,他们小心翼翼地将一块薄纱状的石墨烯薄片切成三部分,并按照理论家们预测的精确角度将每一部分叠放在一起。

他们制作了几个三层结构,每一层的直径只有几微米(大约是人类头发直径的1/100),3个原子高。

“我们的结构是一个纳米三明治,”杰瑞罗-埃雷罗说。

然后,该团队将电极连接到结构的两端,并让电流通过,同时测量材料中损耗或耗散的能量。

“我们没有看到能量耗散,这意味着它是一个超导体,”Jarillo-Herrero说。“我们必须归功于理论家——他们的角度是正确的。”

他补充说,该结构的超导性的确切原因——是否像理论学家所提出的那样,由于其对称性,还是不是——还有待观察,研究人员计划在未来的实验中进行测试。

“就目前而言,我们只是有一种相关性,而不是因果关系,”他说。“现在,至少我们有了一条基于这种对称思想探索大量新型超导体的途径。”

“大爆炸”

在探索其新的三层结构方面,团队发现他们可以以两种方式控制其超导性。利用以前的双层设计,研究人员可以通过应用外部栅极电压来改变流过材料的电子数量来调谐其超导性。随着向上和向下拨栅极电压,它们测量了材料停止耗散能量并且变得超导的临界温度。通过这种方式,该团队能够打开和关闭双层石墨烯的超导性,类似于晶体管。

该团队使用相同的方法来调谐三层石墨烯。他们还发现了一种控制材料的超导性,其在双层石墨烯和其他扭曲的结构中不可能。通过使用附加电极,研究人员可以应用电场以改变结构的三层之间的电子分布,而不改变结构的整体电子密度。

“这两个独立的旋涡现在为我们提供了很多关于超导性出现的条件的信息,这可以提供对这种不寻常的超导状态形成的关键物理学的洞察,”Park说。

利用这两种方法来调整三层结构,研究小组在一系列条件下观察到了超导性,包括在相对较高的临界温度3开尔文,即使材料的电子密度很低。相比之下,铝,作为一种超导体正在被探索量子计算它的电子密度要高得多,并且只有在1开尔文左右才会变得超导。

Jarillo-Herrero说:“我们发现魔术角三层石墨烯可以成为最强的耦合超导体,这意味着它可以在相对较高的温度下超导,因为它拥有的电子非常少。”“它能让你的钱得到最大的回报。”

研究人员计划制造三层以上的扭曲石墨烯结构,看看这种具有更高电子密度的结构是否能在更高的温度下表现出超导性,甚至接近室温。

“如果我们能像现在这样制造出这些结构,在工业规模上,我们就能制造出用于量子计算、低温超导电子、光电探测器等的超导比特。”我们还没有弄清楚如何一次制造数十亿个这样的东西,”贾里略-埃雷罗说。

“我们的主要目标是找出强耦合超导的基本性质,”Park说。“三层石墨烯不仅是迄今为止发现的最强耦合超导体,也是最可调的。有了这种可调性,我们可以真正探索超导性,在相空间的任何地方。”

2021年2月1日自然

这项研究得到了能源部、国家科学基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会以及雷蒙·阿里斯基金会的部分支持。

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