2021年9月1日，美國加州大學(xué)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(dǎo)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(xué)技術(shù)大學(xué)少年班的留學(xué)生周昊欣。

2018年，畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，被譽(yù)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(dǎo)體研究的大門。

“此次報道的兩篇論文當(dāng)中，第一篇論文中，研究團(tuán)隊在菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)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，研究團(tuán)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(xué)微電子學(xué)院電子科學(xué)系副主任于永強(qiáng)副教授表示，此次晶體菱面三層石墨烯超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為石墨烯超導(dǎo)的研究帶來更多的可能性。

石墨烯的新技能

超導(dǎo)體早已經(jīng)廣泛應(yīng)用在日常生活的方方面面。例如，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(dá)數(shù)百萬年的電力線路及裝置等等。

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(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種革命性的材料。

而超導(dǎo)石墨烯的出現(xiàn)開辟了更多的可能性。例如可以用于超高速計算機(jī)中的新型超導(dǎo)量子設(shè)備。

“石墨烯具有極高載流子遷移率的零帶隙半導(dǎo)體，并具有完美的狄拉克錐形能帶結(jié)構(gòu)，它的導(dǎo)帶和價帶具有重合的狄拉點。”于永強(qiáng)告訴記者，科學(xué)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(qiáng)表示，石墨烯本身不具有超導(dǎo)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(dǎo)潛能。

于永強(qiáng)告訴記者，由于石墨烯是零帶隙高遷移率半導(dǎo)體，單層石墨烯具有高的導(dǎo)電性，良好的光學(xué)特性以及量子霍爾效應(yīng)等物理特性。“相對于單層石墨烯，雙層石墨烯和多層石墨烯的導(dǎo)電性通常優(yōu)于單層石墨烯。”于永強(qiáng)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，可改變體系的導(dǎo)電特性，實現(xiàn)從絕緣體-導(dǎo)體-超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。

輕輕扭動一個“魔角”，讓石墨烯實現(xiàn)超導(dǎo)性

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(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1度的微妙角度時，就會產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng)，為超導(dǎo)體的實際應(yīng)用打開了新世界的大門。

曾經(jīng)困擾物理學(xué)家多年的高溫超導(dǎo)難題，因為該研究發(fā)現(xiàn)迎刃而解!這一發(fā)現(xiàn)，轟動了當(dāng)時的國內(nèi)外學(xué)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，就是來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)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度的角度。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(qiáng)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?；诋?dāng)前的超導(dǎo)理論，超導(dǎo)行為被認(rèn)為是源自電子之間的強(qiáng)相互作用。

“具有超晶格的存在的魔角扭曲石墨烯，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1.7 K)，達(dá)到超導(dǎo)特性的電子臨界濃度，電子間將出現(xiàn)強(qiáng)的相互作用，獲得超導(dǎo)特性。”于永強(qiáng)說。

于永強(qiáng)強(qiáng)調(diào)，要觀察到魔角扭曲石墨烯超導(dǎo)現(xiàn)象，首先需要獲得扭曲角度約1.1 度的莫爾超晶格體系，在低溫條件下(約為1.7K)，然后可通過門電壓調(diào)控技術(shù)等調(diào)控其載流子濃度，實現(xiàn)超導(dǎo)特性。

晶體菱面三層石墨烯更具超導(dǎo)性

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》上報道了在三層石墨烯組成的“三明治”中觀察到超導(dǎo)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(dǎo)性比雙層結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

也是基于發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中可能產(chǎn)生超導(dǎo)性之后不久，就有理論物理學(xué)家提出，在三層或更多層石墨烯中也可能看到相同的現(xiàn)象而衍生的科學(xué)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，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(xué)技術(shù)大學(xué)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以魔角大約是 1.57度，約是魔角扭曲石墨烯的2 倍，在溫度為0.1 K時， 實現(xiàn)超導(dǎo)特性。”于永強(qiáng)告訴記者，超導(dǎo)特性與每個莫爾單元中的對稱性破缺相有關(guān)，超導(dǎo)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(dǎo)特性。”于永強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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，分別于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(rèn)為，半金屬在化學(xué)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(xué)性質(zhì)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(dāng)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?fù)浞瞧椒矌稇B(tài)的形成。”于永強(qiáng)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(dǎo)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(qiáng)進(jìn)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(dāng)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”。(科技日報記者 吳長鋒)

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