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魔角石墨烯发展现状介绍

供稿人:温一村  供稿时间:2019-12-2   关键字:魔角石墨烯  研究团队  转角电子学  

2010年,美国罗格斯大学的研究人员发现在两个堆叠的石墨烯层的晶体取向之间引入扭曲可以极大地改变材料的电子特性,并且最终实现扭转角θ的精确控制,但是这一研究成果当时受到了不少物理学家的怀疑。理论物理学家也曾预言,在扭转至一定的小角度,超晶格的结构将彻底改变电子行为,通过减慢电子速度并调整相互作用方式,改变材料的电子特性。理论上,各种堆叠的二维材料在旋转至一定角度后,都可以形成这类超晶格结构,但没有人知道材料属性会如何变化,以及需要扭转多少度才会发生这种变化。2018年3月,来自麻省理工学院等机构的研究人员在《自然》上发表论文,指出通过不断调试两层石墨烯的旋转角,发现其在特定角度(约1.1度)会表现出“莫特绝缘体”特性,而如果利用电场在石墨烯上吸附电子,这一体系则能表现出超导特性,这一新材料体系就此被称为魔角石墨烯。该发现获评《物理世界》2018十大突破之首,在整个物理学界,乃至科学界引起了轰动,论文第一作者入选《自然》杂志评出的2018年度科学人物。

这项研究的突破在于——利用成一定旋转角的两层石墨烯观察到与铜氧化物超导类似的现象。人们以前没想到可以这样旋转,这提供了一种新的材料调控方式。除了发现新材料体系之外,实现这种超导的方式对科学界来说堪称一个更为巨大的发现,有迹象表明,双层石墨烯的这一神奇特性或来源于电子之间较强的相互作用,也称为“关联”(correlation)——这种行为被认为是复杂材料出现奇异物态的原因,其与非常规超导体的行为具有高度相似性。在许多非常规超导体中,电流可以在远高于传统超导理论通常允许的温度下实现零电阻流动。但是导致这一现象的原因却是一个谜,科学家希望:魔角石墨烯也许可以成为理解高温超导现象的“罗塞塔石碑”(Rosetta stone),对高温超导现象的理解反过来也能帮助研究人员创造出能在接近室温的条件下超导的材料,从而彻底革新诸多现代技术领域,包括交通和计算。

目前,实验物理学家一方面正在努力研究魔角石墨烯,期望能够发现更多的新特性,另一方面正在利用这一全新方式调整其它二维材料的层间结构,寻找强电子相互作用的其他形式。理论物理学家正在尝试从理论角度入手,解释该物理现象,arXiv预印本服务器上出现了大量相关论文。但截至目前,除了公认这个系统很值得研究外,理论物理学家们并未达成任何共识。

魔角石墨烯属于二维材料层间旋转效应研究领域,这个新兴领域被称为“转角电子学”(twistronics)。在魔角石墨烯研究发布以前,从事该领域的研究团队并不多,但自麻省理工学院论文发布以来,这个领域正火速成为热点。哥伦比亚大学和加州大学圣芭芭拉分校合作发现施加压力可以使双层石墨烯在更大的扭曲角度产生更强的电子耦合,产生平带,从而产生超导性,并对扭曲的双层石墨烯超导实现了系统调控。斯坦福大学研究团队证明在魔角石墨烯中,填充四分之三的单位晶胞的绝缘相是一种铁磁绝缘相,在其边界上存在导电态,表明这是一种新兴的拓扑结构。斯坦福大学、加州大学伯克利分校和复旦大学合作,在更容易获得的三层石墨烯片中发现了超导电性的迹象,三层石墨烯为科学研究人员提供了另一个清晰的研究系统,一种探索复杂物理学研究的简单方法。

此外,截至目前,魔角石墨烯超导发生的条件非常苛刻,更多的是对未来研究的指导意义,距离产业化应用尚有时日。

 

 


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