石墨烯在单个设备中充当超导体,绝缘体和铁磁体

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二氧化硅/硅芯片图像上的石墨烯器件

一个由科学家组成的协作小组设计了一种利用石墨烯各种才能的设备:超导,绝缘和一种称为铁磁性的磁性。该多任务设备可以实现新的物理实验,例如为更快的下一代电子设备(如量子计算技术)寻求电路方面的研究。

二氧化硅/硅芯片上的石墨烯器件(上面显示为方形金焊盘)的光学图像。发光的金属线连接到金电极以进行电测量。(来源:陈国瑞/伯克利实验室)

“到目前为止,同时具有超导,绝缘和磁性特性的材料非常罕见。而且大多数人认为,在石墨烯中很难感应磁性,因为它通常不是磁性的。我们的石墨烯系统是第一个在单一样品中结合所有三个特性的系统。”研究的主要作者,加州大学伯克利分校的王超超纳米光学小组的博士后研究员Guorui Chen说。

石墨烯在电子领域具有很大的潜力。Chen说,其原子上薄的结构以及强大的电子和导热性,“可以在开发下一代电子和内存存储设备方面提供独特的优势。”

问题是当今电子设备中使用的磁性材料是由铁磁性金属(例如铁或钴合金)制成的。铁磁材料像普通的条形磁铁一样,具有北极和南极。当使用铁磁材料将数据存储在计算机硬盘上时,这些磁极向上或向下指向,表示零和一,称为位。

由于石墨烯不是由磁性金属制成,而是由碳制成,因此科学家们不得不想出一种创新的解决方法。他们设计了一种厚度仅为1纳米的超薄设备,具有三层原子薄的石墨烯。当石墨烯层夹在2D氮化硼层之间时,石墨烯层(在研究中称为三层石墨烯)形成称为莫尔超晶格的重复图案。


通过通过石墨烯设备的门施加电压,来自电力的力促使设备中的电子沿相同的方向旋转,就像微型汽车在轨道上竞赛一样。这产生了强大的动量,将石墨烯器件转变为铁磁系统。

更多的测量结果揭示了一组惊人的新特性:石墨烯系统的内部不仅变成了磁性,而且还绝缘了。尽管有磁性,它的外边缘却变成了没有电阻运动的电流通道。研究人员说,这种特性是稀有的绝缘子,称为Chern绝缘子。

更令人惊讶的是,麻省理工学院的合著者Ya-Hui Zhang的计算显示,石墨烯器件不仅具有一个导电边缘,而且具有两个导电边缘,使其成为第一个观察到的“高阶Chern绝缘子”,这是由于三层石墨烯中的强电子-电子相互作用。

科学家们在被称为拓扑的研究领域中寻找了Chern绝缘子,该研究调查了奇特的物质状态。Chern绝缘子为在量子计算机中处理信息提供了潜在的新方法,在量子计算机中,数据存储在量子位或量子位中。量子位可以表示1、0或同时表示1和0的状态。

“我们的发现表明,石墨烯是研究从单粒子物理学到超导电性的各种物理学的理想平台,现在是研究2D材料中物质量子相的拓扑物理学的理想平台。” “令人兴奋的是,我们现在可以在厚度仅为百万分之一毫米的微型设备中探索新的物理学。”

研究人员希望对他们的石墨烯器件进行更多的实验,以更好地了解Chern绝缘体/磁体的出现方式以及其异常特性背后的机理。

伯克利实验室的研究人员;加州大学伯克利分校 斯坦福大学; SLAC国家加速器实验室;麻省理工学院; 中国上海交通大学,先进微结构协同创新中心和复旦大学;日本国立材料科学研究所参加了这项工作。


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