导读

近日，美国麻省理工学院和哈佛大学的物理学家们发现，石墨烯能够具有更加奇妙的电子特性。他们通过调谐石墨烯，使之表现为超导体或者绝缘体。

背景

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授从石墨薄片中剥离出了石墨烯。这种由单层碳原子组成六角形蜂巢结构的薄片，迅速受到了科学家们的高度重视。它不仅是世界上迄今为止发现的最薄的材料，而且重量也非常轻。此外，它的柔性也相当高，强度超过钢铁百倍，导电性能胜过铜。

石墨烯享有“黑金”、“新材料之王”等美誉，甚至有科学家预测石墨烯极可能掀起一场席卷全球的颠覆性的新技术新产业革命。目前，石墨烯的已经广泛应用于许多科技领域，例如：柔性电子、高效晶体管、传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗等。作为一项融合到许多科技领域中、极具影响力的前沿创新技术，笔者在以往的多篇文章中都介绍过石墨烯的相关科研成果。

（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

创新

近日，美国麻省理工学院和哈佛大学的物理学家们发现，神奇材料（石墨烯）展现出更奇妙的电子特性。在两篇近日发表于《自然》杂志的论文中，团队报道了他们可以调谐石墨烯表现出两种极端不同电气特性：第一，作为绝缘体，电子在其中完全无法流动；第二，作为超导体，电子在其中可在零电阻的情况下流动。

（图片来源：MIT）

这项研究受到了美国戈登和贝蒂摩尔基金会和国家科学基金的支持。

技术

之前的研究人员，当然也包括这个团队，已经通过将材料与其他超导金属接触（这种组织结构使得石墨烯继承了其他超导体的行为）合成石墨烯超导体。这一次，团队发现了一种使得石墨烯在自身基础上实现超导的方法，显示出超导性是这种纯净的碳基材料的内在特性。

物理学家们创造了由两层石墨烯薄片层叠在一起的“超晶格（superlattice）”，从而实现这种效果。两层石墨烯薄片并不是刚刚好的层叠在一起，而是稍微旋转了一下，之间存在一个1.1度的“魔力角度”。结果，在上方的六边形蜂窝状图案发生轻度偏移，创造出“云纹”般的效果。

（图片来源：MIT）

这将引发石墨烯薄片中电子之间神奇的“强关联相互作用”。在任何其他的层叠结构中，石墨烯与其临近层之间都会保持独立，无论是在电子学意义上还是在其他方面，都交互得非常少。

MIT 物理学副教授 Pablo Jarillo-Herrero 领导的团队发现，当在“魔力角度”下旋转时，两层石墨烯是非导电的，类似于一种奇异的材料：莫特绝缘体。后来，研究人员施加了电压，添加少量的电子到石墨烯超晶格中，他们发现，在达到一定量后，电子摆脱了起初的绝缘状态，并以零电阻的状态流动，就像通过超导体一样。

说起材料的导电能力，我要首先介绍一项重要的物理理论：能带理论（Energy band theory ）。它是讨论晶体（包括金属、绝缘体和半导体的晶体）中电子的状态及其运动的一种重要的近似理论。

简单地说，能带是指晶体中电子所能具有的能量范围；形象地说，在物理学中，我们往往可以用一条条水平横线表示电子所处的各个能级，一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条带，称为能带。

各种晶体能带数目及其宽度等都不同。相邻两能带间的能量范围称为“能隙”或“禁带”，晶体中电子不能处于这种能量范围。完全被电子占据的能带称“满带”，满带中的电子不会导电；完全末被占据的称“空带”；部分被占据的称“导带”。导带中的电子能够导电；价电子所占据能带称“价带”。能量比价带低的各能带一般都是满带，价带可以是满带，也可以是导带。

（图片来源：参考资料【2】）

一般常见的金属材料，其导带与价带之间的“能隙”非常小甚至重叠在一起，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至传导带而导电。禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质，还是具有绝缘体性质。半导体的禁带宽度较小，只要给予适当条件的能量激发（例如：升温、光照、电磁场激发），电子就可以被激发传到导带，从而使材料具有导电性。然而，绝缘体的禁带宽度很大，即使在较高的温度下，仍是电的不良导体。

然而，莫特绝缘体却是一种神奇的材料。从能带结构来看，它是可以导电的；然而实际测量时，它却是不导电的绝缘体。特别是，它们的能带是半满的，但是由于强烈的静电相互作用（例如同性电荷相互排斥），这种材料不会导电。从根本上说，这种半满的能带分裂为两个小型的、几乎平面的能带，电子完全占据了其中一个，而另一个却是空的，因此就像绝缘体一样。

Jarillo-Herrero 解释道：“这意味着所有电子都会被阻止，所以它是一种绝缘体，因为这种电子之间的强烈的排斥力，阻碍了电流的形成。为什么莫特绝缘体如此重要？原因是，大多数高温超导体的母体化合物就是莫特绝缘体。”

换句话说，科学家们已经找到了方法，在相对较高的温度下（100开尔文）操控模特绝缘体的特性，将它们转化为超导体。为了实现这个目标，他们通过化学方法在材料中“掺杂”了氧，这种原子吸引电子离开莫特绝缘体，留下更多的空位给剩余的电子流动。当添加的氧足够多时，绝缘体变成了超导体。Jarillo-Herrero 表示，这种转化到底是如何发生的，30年来一直是个谜。

Jarillo-Herrero 表示：“这个问题已经存在了30年左右，一直都未解决。这些高温超导体一直都在被研究，它们具有许多有趣的表现。但是，我们还不知道怎么去解释它们。”

Jarillo-Herrero 及其同事们寻找到了一种更简单的平台，用于研究这些非传统的物理现象。在研究石墨烯电子特性的过程中，团队开始利用石墨烯薄片进行简单层叠，他们首先从石墨上剥离出单层石墨烯片，然后再从一个涂有粘性聚合物和绝缘材料氮化硼的载玻片上，小心翼翼地捡起半片，制造出两片超晶格。

然后，他们非常轻微地旋转载玻片，捡起另一半的石墨烯片，将它附着在前面一半的石墨烯片上。他们通过这种方法，创造出一种具有偏移图案的超晶格，它不同于石墨烯原本的蜂窝状晶体结构。

团队重复了这一实验，创造出几个具有不同旋转角度（0到3度之间）的“设备”即石墨烯超晶格。他们将电极连接到每个设备上，测量流过的电流，然后在流过设备的电流给定的情况下，测算出设备电阻。

Jarillo-Herrero 表示：“如果你的旋转角度偏差0.2度，所有这些物理现象都会消失，超导性或者莫特绝缘体就不会出现。所以，你必须非常精准地对齐角度。”在1.1度（这种旋转角度被认为是“魔力角度”）时，研究人员发现石墨烯超晶格在电子学上类似于平带结构，与莫特绝缘体相似。在莫特绝缘体中，无论电子的动量如何，所有的电子都携带同样的能量。

Jarillo-Herrero 表示：“例如，一量轿车的动量是其质量与速度的乘积。如果你每小时行驶30英里，你将有一定的动能。如果你每小时行驶60英里，你的汽车拥有的能量将更高，但是如果你撞车了，那么会使得更大的物体发生形变。这就是说，无论你的行驶速度是30、60、100英里每小时，它们都会都拥有同样的能量。”

对于电子来说，这意味着，即使它们占据半满的能级，一个电子无法比其他的电子具有更多的能量，这种能量使得自己可以在能带中移动。因此，虽然这种半满的能带结构应该像导体一样导电，但是恰恰相反它们的表现却像绝缘体，更精确一点说，是莫特绝缘体。

这为团队带来了一个想法：如果他们将电子添加到这些莫特绝缘体超晶格中，就像科学家在莫特绝缘体中掺杂氧使之变为超导体，又会怎样呢？相应地，石墨烯也会具有超导特性？

为了搞清楚，他们向“魔力角度”的石墨烯超晶格，施加了弱的触发电压，添加少量电子到结构中。结果，在石墨烯中，个体的电子与其他电子结合到了一起，让它们可以流到之前它们无法流到的地方。自始至终，研究人员都在持续测量材料的电阻，并发现当他们添加一定量的少量电子时，电流的流动将不会耗散能量，如同超导体一样。

价值

Jarillo-Herrero 表示：“你可以让电流自由流动，没有能量损耗，而且这也表示石墨烯可以成为超导体。”

他表示，也许更重要地是，研究人员能够调谐石墨烯，使之可变为绝缘体，也可变为超导体，以及二者之间的任何相位，并在单个设备上展示出所有这些不同的特性。而在其他方法中，科学家们必须培养和操控几百种不同的晶体，创造出的每种晶体只能表现出一种电子相。

Jarillo-Herrero 表示：“通常，你必须培养不同类的材料探索每一种相位。我们通过在原位、一次性、单个纯净的碳设备的条件下，完成了这一目标。我们能够在单个设备中用电气方法探索所有这些物理现象，而不是必须创造出几百种设备。这个方法实在是太简便了。”

Jarillo-Herrero 表示：“我们现在可以使用石墨烯作为一种新平台，研究非传统的超导性。我们也可以想象，通过石墨烯制造出一种超导晶体管，你可以通过在超导和绝缘状态之间切换从而开关它。这为量子设备开启了许多可能性。”

关键字

石墨烯、超导体、电子、量子、晶体管

参考资料

【1】http://news.mit.edu/2018/graphene-insulator-superconductor-0305

【2】Van Zeghbroeck, B. , 2011 (2011). "Section 2.3: Energy Bands". Principles of Semiconductor Devices. Electrical, Computer, Energy Engineering Dept., Univ. of Colorado at Boulder. Retrieved March 13, 2017.

【3】Yuan Cao, Valla Fatemi, Shiang Fang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Efthimios Kaxiras & Pablo Jarillo-Herrero. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature, 2018 DOI: 10.1038/nature26160

【4】Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018 DOI: 10.1038/nature26154

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