雙層石墨烯和多層石墨烯的導電性通常優(yōu)于單層石墨烯。套疊的雙層或多層石墨烯，可以通過人工層狀原子堆垛改變層間扭曲角度，從而改變體系的導電特性，實現(xiàn)絕緣體—導體—超導體的轉(zhuǎn)變。
9月初，美國加州大學圣巴巴拉分校Andrea F.Young課題組連續(xù)在《自然》雜志背靠背發(fā)表兩篇論文，報道了他們在菱面三層石墨烯發(fā)現(xiàn)超導的最新突破。值得一提的是，兩篇論文的第一作者都是中國科學技術(shù)大學少年班的留學生周昊欣。
2018年，畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學，被譽為“天才少年”的曹原，在魔角扭曲的雙層石墨烯中首先發(fā)現(xiàn)新的電子態(tài)，一舉打開了非常規(guī)超導體研究的大門。
“在此次報道的兩篇論文的第一篇中，研究團隊在菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)超導性，在亞開爾文溫度下表現(xiàn)為低電阻率或消失電阻率。第二篇論文中，研究團隊在菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)‘半金屬’和‘四分之一金屬’。”合肥工業(yè)大學微電子學院電子科學系副主任于永強副教授表示，此次晶體菱面三層石墨烯超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為石墨烯超導的研究帶來更多的可能性。
石墨烯獨特屬性使其具有超導潛力
超導體早已廣泛應(yīng)用在日常生活的方方面面。它們是核磁共振成像儀器和磁懸浮列車中的必要組件;還可用于制造傳輸和儲存能量長達數(shù)百萬年的電力線路及裝置等。
石墨烯是由一層碳原子組成六邊形結(jié)構(gòu)的二維原子晶體。由于石墨烯優(yōu)異的光學、電學、力學特性，其在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認為是一種革命性的材料。
而超導石墨烯的出現(xiàn)為其應(yīng)用開辟了更多的可能性。例如，它可以用于超高速計算機中的新型超導量子設(shè)備。
“石墨烯是具有極高載流子遷移率的零帶隙半導體，并具有完美的狄拉克錐形能帶結(jié)構(gòu)，它的導帶和價帶具有重合的狄拉克點。”于永強告訴記者，科學家可以通過疊套方法和較弱的范德瓦爾斯力將石墨烯層與層套疊在一起。
“在疊套過程中，可將層間扭曲一定角度。通過改變層間扭曲角度，可以改變套疊石墨烯體系的微觀電子結(jié)構(gòu)，從而改變體系的物理性能。”于永強表示，石墨烯本身不具有超導特性，但石墨烯獨特的能帶結(jié)構(gòu)、高載流子遷移率以及可通過人工層狀原子堆垛方法，實現(xiàn)扭曲角度而調(diào)控套疊石墨烯體系的微觀電子結(jié)構(gòu)等特性，使其具備實現(xiàn)超導的潛能。
于永強告訴記者，由于石墨烯是零帶隙高遷移率半導體，單層石墨烯具有高的導電性、良好的光學特性以及量子霍爾效應(yīng)等物理特性。“雙層石墨烯和多層石墨烯的導電性通常優(yōu)于單層石墨烯。”于永強表示，套疊的雙層或多層石墨烯，可以通過人工層狀原子堆垛改變層間扭曲角度，從而改變體系的導電特性，實現(xiàn)絕緣體—導體—超導體的轉(zhuǎn)變。
扭動“魔角”讓石墨烯實現(xiàn)超導
2018年3月5日，頂級期刊《自然》連發(fā)兩篇文章，報道了石墨烯領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)：當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度時，就會產(chǎn)生神奇的超導效應(yīng)，這為超導體的實際應(yīng)用打開了新世界的大門。
曾經(jīng)困擾物理學家多年的高溫超導難題，因為該研究發(fā)現(xiàn)而迎刃而解。這一發(fā)現(xiàn)，轟動了當時的國內(nèi)外學術(shù)界，同時也開辟了凝聚態(tài)物理的一塊全新領(lǐng)域，為研究電子與電子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，提供了全新的、開辟性的理論基礎(chǔ)。這就是魔角石墨烯。
而這兩篇《自然》論文的第一作者，就是來自于中國科學技術(shù)大學少年班的曹原。曹原也因此登上了2018年《自然》雜志的年度十大科學人物，并位列榜首。
“魔角扭曲石墨烯是將第一層石墨烯放置在第二層石墨烯上，然后將第一層石墨烯旋轉(zhuǎn)大約1.1°。簡單來說，就是把一塊石墨烯斷成兩塊，把其中一塊相對于另一塊轉(zhuǎn)一個角度，然后再把兩塊疊起來。”于永強告訴記者，魔角扭曲石墨烯可以在原子尺度獲得莫爾超晶格，這種物理結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生能量狀態(tài)，阻止電子分開，迫使它們相互作用。基于當前的超導理論，超導行為被認為是源自電子之間的強相互作用。
“存在超晶格的魔角扭曲石墨烯，在門電壓的調(diào)控下，可連續(xù)調(diào)控其載流子濃度，同時在更低的溫度時(約為1.7K)，達到超導特性的電子臨界濃度，電子間將出現(xiàn)強相互作用，獲得超導特性。”于永強說。
晶體菱面三層石墨烯超導性更強
今年年初，已經(jīng)成為博士后的曹原再次以共同第一作者身份，在《自然》上發(fā)布論文，指出在三層石墨烯組成的“三明治”中觀察到超導性。在新的三層結(jié)構(gòu)中，中間一層石墨烯相對于外層，以新的角度扭轉(zhuǎn)，其超導性比雙層結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。
在發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯可能產(chǎn)生超導性之后不久，就有理論物理學家提出，在三層或更多層石墨烯中也可能看到相同的現(xiàn)象，而衍生出其他科學研究。
2021年9月1日，這種菱面體三層石墨烯在短短7個月的時間后，再次在《自然》上背靠背連發(fā)兩篇文章。這兩篇論文的第一作者，正是曹原在中國科學技術(shù)大學少年班的師弟周昊欣。
“此次報道提出的晶體菱面三層石墨烯，中間一層石墨烯相對于外層石墨烯的魔角大約是1.57°，在溫度為0.1K時，實現(xiàn)超導特性。”于永強告訴記者，超導特性與每個莫爾單元中的對稱性破缺相有關(guān)，超導相被抑制和限制在部分包圍對稱破缺相。“相對于魔角扭曲石墨烯，晶體菱面三層石墨烯具有更好的電子結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性和超導特性。”于永強說。
“鐵磁性在過渡金屬化合物中最常見，其中電子占據(jù)高度局部化的d軌道。然而，鐵磁有序也可能出現(xiàn)在低密度二維體系電子系統(tǒng)。”于永強告訴記者，此次論文中研究者展示了菱面體三層石墨烯中的門調(diào)諧范霍夫奇點，將電子系統(tǒng)的自發(fā)鐵磁極化驅(qū)動為一種或多種自旋(Spin)電子和谷(Valley)電子特征。
于永強告訴記者，使用電容和電子遷移測量，研究者觀察到相之間的一系列密度和電子位移場調(diào)諧躍遷，其中量子振蕩具有四倍、兩倍或一倍的簡并性，分別與自旋和谷簡并正常金屬，自旋極化的“半金屬”，以及自旋和谷極化的“四分之一金屬”相關(guān)。
通常認為，半金屬在化學元素周期表中處于金屬向非金屬過渡的位置，物理性質(zhì)和化學性質(zhì)也介于金屬和非金屬之間。
“值得注意的是，他們發(fā)現(xiàn)同位旋順序只是微弱的擾動，每當在半或四分之一超晶格帶填充出現(xiàn)流動的半或四分之一金屬態(tài)時，莫爾勢能催化拓撲非平凡帶隙態(tài)的形成。”于永強表示，論文的研究結(jié)果表明，菱形石墨烯是控制良好的多體理論測試的理想平臺，并揭示了莫爾材料中的磁性本質(zhì)上是流動的。
“簡單來說，魔角扭曲石墨烯可以簡單實現(xiàn)絕緣體到超導體的轉(zhuǎn)變，而菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了‘半金屬’和‘四分之一金屬’。”于永強進一步解釋說，這是由于電子在磁場下會轉(zhuǎn)換成量子態(tài)，材料的電阻率發(fā)生振蕩，當量子振蕩具有四倍、兩倍或一倍的簡并性時，就分別對應(yīng)著正常金屬、“半金屬”，以及“四分之一金屬”。
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