研究人员在魔角扭曲的三层石墨烯中创造了可调谐的超导性

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堆叠订单图片A-tw-A堆叠(a)和A-tw-B堆叠(b)的插图。

当两片石墨烯以直角彼此堆叠时,层状结构会变形为非常规的超导体,从而使电流通过而不会产生电阻或能量浪费。MIT的Pablo Jarillo-Herrero小组于2018年首次观察到了双层石墨烯中的这种“魔角”转变。从那时起,科学家们一直在寻找可以类似地扭曲成超导性的其他材料,但是在大多数情况下,除了原始的扭曲双层石墨烯之外,没有其他任何扭曲的材料表现出超导性。


Jarillo-Herrero和他的小组在最近的一篇论文中报道了在三片石墨烯片的三明治中观察到超导性,其中三层石墨烯片相对于外层以新角度扭曲。据报道,这种新的三层结构显示出比其双层对应物更坚固的超导性。

研究人员还可以通过施加和改变外部电场的强度来调整结构的超导性。通过调整三层结构,研究人员能够产生超强耦合超导性,这是一种奇特的电学行为,在任何其他材料中都很少见。

“尚不清楚魔角双层石墨烯是否是例外,但现在我们知道,并不孤单。Jarillo-Herrero说。“这种超可调超导体的发现将反旋领域扩展到了全新的方向,在量子信息和传感技术中具有潜在的应用。”

在Jarillo-Herrero和他的同事发现扭曲的双层石墨烯中可能产生超导电性之后不久,理论家提出,在三层或更多层石墨烯中可能会看到相同的现象。



理论家提出,如果将三层石墨烯像三明治一样堆叠,中间层相对于外层旋转1.56度,则扭曲的构型将产生一种对称性,从而促使材料中的电子配对并形成无阻力的流动-超导的标志。

Jarillo-Herrero说:“我们认为,为什么不这样做,让我们尝试一下该想法。”

MIT的合著者Jeong Min Park和Yuan Cao设计了三层石墨烯结构,方法是将单层游丝石墨烯薄片小心地切成三个部分,并将每个部分以理论家所预测的精确角度彼此堆叠。

他们制造了几个三层结构,每个结构跨度为几微米(大约是人类头发的直径的1/100),并且高度为三个原子。

Jarillo-Herrero说:“我们的结构是纳米三明治。”

然后,研究小组将电极连接到结构的两端,并通过电流,同时测量材料中损失或散发的能量。

Jarillo-Herrero说:“我们看不到有能量消散,这意味着它是超导体。” “我们必须赞扬理论家-他们的观点正确。”

他补充说,结构超导的确切原因(无论是由于理论家提出的对称性而定)尚待观察,这是研究人员计划在未来的实验中进行测试的原因。

他说:“目前,我们具有相关性,而不是因果关系。” “现在至少我们有一条路可以根据这种对称思想探索一大批新的超导体。”

在探索他们的新三层结构时,研究小组发现他们可以通过两种方式控制其超导性。利用他们以前的双层设计,研究人员可以通过施加外部栅极电压来改变流过材料的电子数量,从而调节其超导性。当他们上下拨动栅极电压时,他们测量了材料停止耗散能量并变得超导的临界温度。通过这种方式,团队能够像晶体管一样打开和关闭双层石墨烯的超导性

该团队使用相同的方法来调整三层石墨烯。他们还发现了控制材料超导性的第二种方法,这在双层石墨烯和其他扭曲结构中是不可能的。通过使用附加电极,研究人员可以施加电场来改变结构三层之间的电子分布,而无需改变结构的整体电子密度。

帕克说:“这两个独立的旋钮现在为我们提供了有关超导电性出现条件的大量信息,这些信息可以洞悉对形成这种异常超导状态至关重要的关键物理原理。”

使用这两种方法调整三层结构,研究小组在一定条件下观察到了超导性,包括在相对较高的3开尔文临界温度下,即使材料的电子密度很低。相比之下,正在探索作为量子计算超导体的铝具有更高的电子密度,并且仅在约1开尔文时才具有超导性。

Jarillo-Herrero说:“我们发现魔角三层石墨烯可以是最强的耦合超导体,这意味着,在给定的电子数量很少的情况下,它可以在相对较高的温度下进行超导。” “它为您带来最大的收益。”

斯坦福大学物理学教授戴维·戈德哈伯-戈登(David Goldhaber-Gordon)说:“这项工作大大提高了双旋系统的结构复杂性,可以在几个样本中如实地复制它们。” 这种结构上的复杂性不仅是出于自身的原因,而且还旨在使电子交互的效果可调。这种复杂的多层结构的应用可能会在量子信息科学中,其中对电子结构的精确控制至关重要。”

研究人员计划制造三层以上的扭曲石墨烯结构,以查看具有较高电子密度的此类构型是否可以在较高温度(甚至接近室温)下表现出超导性。

帕克说:“我们的主要目标是找出强耦合超导基础的基本性质。” “三层石墨烯不仅是有史以来最强耦合的超导体,而且也是最可调谐的。通过这种可调性,我们可以真正在相空间中的任何地方探索超导性。”

这项工作的合著者与Jarillo-Herrero一起是麻省理工学院的第一作者Jeong Min Park和Yuan Cao,以及日本国立材料科学研究所的渡边贤司和谷口隆史。



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