石墨烯(带有扭曲)正在帮助科学家理解超导体

2020-07-08 13:24:51

石墨烯是一种非常规的物质。毕竟,有多少其他获得诺贝尔奖的突破是由科学家们在周五晚上拿着胶带瞎搞的?从那时起,石墨烯——以及一系列额外的二维材料,如锗和硅——因其迷人的特性而成为人们着迷和兴奋的源泉。

越来越多的科学家意识到,在称为范德瓦尔斯异质结构的构造中将2D材料层堆叠在一起可以允许更大程度地控制其光学和电子特性。正是这种堆叠导致了一个奇怪而令人兴奋的发现。

取两层石墨烯。把它们扭成一个非常小的角度,精确地说是1.1度,然后把它们叠在一起。(这说起来容易做起来难,因为这个想法最初是在2007年提出的,但直到2018年才实现。)由此产生的双层石墨烯是一种超导体:当温度降到临界阈值以下时,这种材料根本没有电阻。

单个原子厚度的层自然很轻,但也出奇地坚韧和灵活。这使得石墨烯最初被认为是未来理想的建筑材料或防弹衣。然而,正是石墨烯的电学特性,导致了石墨烯在传感器中的首次应用。石墨烯的电学特性源于电子在如此薄的一层中的独特行为。超导性,在其他一切之上,是这种非凡材料的锦上添花。

当然,石墨烯并不是第一个显示超导特性的物质。超导体,除了其他功能外,还能产生极高的磁场而不会因为电阻而损失能量,已经被广泛应用。引人注目的例子包括ITER的磁铁,这是世界上最大的核聚变装置,目前正在建设中。

然而,尽管超导在越来越多不同的材料被发现,但石墨烯仍有许多令人着迷的未解之谜。非常规高温超导体的发现引发了人们的猜测,即有一天可能会发现室温超导体。但是,由于没有解释非常规超导体如何工作的物理理论,很难预测哪些材料可能表现出这种行为,也很难寻找更好的材料,这些材料可以产生更大的磁场,在更高的温度下工作,或者更容易建造。如果被发现,它们可以使更小的聚变反应堆,甚至是无损的电力传输,以及无摩擦的高速运输成为可能,帮助解决能源和气候危机。

这就是扭曲的双层石墨烯最让物理学家兴奋的地方:它提供了一种独特的方法来测试超导理论。我们知道超导性是由电子高度相关的材料引起的:在低温下,由于随机粒子运动产生的噪音更小,电子之间可以产生强烈的影响,正是这种强烈的相互作用导致了超导性。

与钡铜氧化物(YCBO)等非常规超导体不同,石墨烯具有相对简单的结构。即使是制造出一种具有超导性的YCBO晶体也相当困难,而且人们对这种晶体的了解仍然很有限,所有它们的数学模型都不可能准确地解出来。为了使YCBO晶体成为超导晶体,有必要将其与杂质“掺杂”,从而向系统中添加自由电子。但是这些自由电子可以很容易地添加到石墨烯中。

石墨烯的“神奇角度”背后的原因是由于两层石墨烯之间的量子隧穿的能量势垒而产生的。当你接近精确的旋转角度(1.1度)时,能量势垒变得非常小,允许电子在层与层之间进行强烈的相互作用并相互关联。制造这种材料并不容易——麻省理工学院的实验室花了数年时间才发现了这种材料,并学会了如何在扭曲角精确控制的情况下制造多层石墨烯。

他们发现他们的一个测试装置是一个完美的绝缘体,它不允许任何电子被传递。然而,施加一个小电压,向系统中添加自由电子,就会突然过渡到超导性。一旦扭曲的双层石墨烯被制造出来,它的电子和超导性能就可以通过施加电场或压力来调整。

扭曲的双层石墨烯为超导系统的实验提供了一个绝佳的场所,因为它的性质很容易调整和改变。正如麻省理工学院(MIT)实验室在2018年首次发现扭曲双层石墨烯超导性的帕布罗贾洛赫雷罗在《量子》杂志上所指出的:“如果有什么系统能让我们希望理解强相关电子,那就是这个。

有了这些非传统超导体的实验数据,物理学家们可以对相互关联的电子材料的工作原理有新的认识。理解量子凝聚态,即固体中电子的性质,将是未来各种发展的关键,从更小的电路到更高效的可再生能源。

也许我们可以找到一种量子态,它可以制造出不易被热涨落破坏的量子位元,这将有助于我们建造下一代量子计算机。当然,对室温超导体的研究将会知道去哪里寻找。自2018年首次宣布这一消息以来,数十名科学家蜂拥进入“twistronics”这一新的研究领域,也就不足为奇了——已经有人在谈论诺贝尔奖了。最近的研究将扭曲双层石墨烯的性质与另一个活跃的物理研究领域——量子霍尔效应联系起来。

当然,实验正在扩展以考虑其他单个原子层,并研究从不同的扭曲到不同的材料堆叠可能产生的材料特性的范围。例如,微小的扭曲可以显着改变其光学,电子和机械特性的材料可以充当半导体并因此用于计算和电信。

在石墨烯最初被发现的近15年后,以石墨烯为开端的二维材料领域仍然让物理学家们感到惊讶。随着我们对这些纳米级材料奇特而奇妙的特性有了更深入的了解,利用物质的基本量子性质的应用和设备的前景也越来越清晰。然而,正如这一令人惊讶的发现所表明的那样,在极限处仍然存在着大量令人着迷的物理现象。