電子超導：曹原以共一兼通訊再發Nature：三層扭轉石墨烯誕生，具備更穩定超導性


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當兩片石墨烯以1.1°的扭轉角度交錯排列，這個雙層結構就會轉變為非常規的超導體，從而使電流無阻通過，而不會浪費能量。這種“魔角”石墨烯結構及其超導效應由美國麻省理工學院（MIT）物理學教授Pablo Jarillo-Herrero團隊在2018年首次發現。這項研究也讓中科大少年班畢業生、當時年僅21歲的曹原“一戰成名”：他以共同第一作者/共同通訊作者的身份首次在同一天發表了兩篇《自然》（Nature）論文，隨後他成為了《自然》 2018年十大科學人物中最年輕的學者。
扭轉電子學（twistronics）領域從此興起。此後，科學家一直在尋找其他可以經過扭轉而表現出超導性質的材料。但是到目前為止，除了最初的雙層“魔角”石墨烯以外，沒有發現其他材料具備相似的特性。
近日，已經成為博士後的曹原再次以共同第一作者身份在《自然》發文報告，在三層石墨烯組成的“三明治”中觀察到超導性。在新的三層結構中，中間一層石墨烯相對於外層以新的角度扭轉，其超導性比雙層結構更穩定。
該論文在《自然》發表，Jeong Min Park和曹原為共同一作，此外曹原還與他的導師、Pablo Jarillo-Herrero共同擔任論文通訊作者。日本國立材料科學研究所的渡邊賢司和穀口尚也參與了這項研究。

圖片來源：《自然》官網
研究人員還可以通過施加和改變外部電場的強度來調節結構的超導性。而通過調節三層結構，研究人員能夠產生超強耦合超導性，這是一種奇特的電學行為，在其他所有材料中很少見。
Jarillo-Herrero說：“目前尚不清楚魔角雙層石墨烯是不是特例，但現在我們知道它並不孤單，它有一個三層表親。這種超可調超導體的發現將轉角電子學領域擴展到了全新的方向，在量子信息和傳感技術中具有潛在的應用。”
打開新型超導體研究的大門
在Jarillo-Herrero和同事們發現扭轉雙層石墨烯中可能產生超導性之後不久，理論物理學家提出，在三層或更多層石墨烯中也可能看到相同的現象。
石墨烯就是厚度僅有一層原子的石墨，它完全由排列成蜂窩狀晶格的碳原子組成，如同纖細卻堅固的金屬網格。理論物理學家提出，如果將三層石墨烯像三明治一樣堆疊，中間層相對於兩個外層扭轉1.56度，那麽這種扭曲構型將產生一種對稱性，從而促使材料中的電子配對，形成無阻力的電流，即超導的標誌。

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Jarillo-Herrero說：“我們就想，為什麽不嚐試檢驗一下這個想法？”為此，Park和曹原設計了三層石墨烯結構。他們將單層石墨烯小心地切成三個部分，並將其按照理論預測的角度精確堆疊。他們製造了幾個這樣的三層結構，每個結構的尺寸僅有幾微米，大約相當於人類頭發的直徑的1/100，高度則為三個原子。Jarillo-Herrero稱之為“納米三明治”。
接下來，研究小組將電極連接到結構的兩端，並通過電流，同時測量材料中損失或耗散的能量。“我們沒有觀察到能量耗散，這意味著它是超導體。”Jarillo-Herrero說，“我們必須肯定理論物理學家的貢獻，他們算出了正確的夾角。”
但他補充說，這種結構具備超導性能的確切原因仍然有待確認，目前還不確定這是不是因為理論物理學家所提出的對稱性。這也是他們計劃在未來的實驗中進行檢驗的內容。他說：“目前我們隻能確認相關性，而無法確認因果關係。但現在我們至少有了一條途徑，可以根據這種對稱性思想探索一大批新型超導體。”
“最強大的耦合超導體”
在探索新的三層石墨烯結構時，研究團隊發現，可以通過兩種方式控製其超導性。對於團隊此前提出的雙層石墨烯，可以通過施加外部門電壓來改變流過材料的電子數量，從而調節其超導性。研究團隊上下調節門電壓，同時測量材料停止耗散能量、轉變為超導體時的臨界溫度。通過這種方式，團隊能夠像調節晶體管一樣打開和關閉雙層石墨烯的超導性。
團隊使用相同的方法來調節三層石墨烯，同時還發現了控製材料超導性的第二種方法，這在雙層石墨烯和其他扭轉角結構中是不可能的。這種方式就是使用附加電極對材料施加電場，這能夠改變三層結構之間的電子分布，同時不改變結構的整體電子密度。
Park說：“現在，這兩個相互獨立的‘旋鈕’能為我們提供大量有關超導電性出現條件的信息，幫助我們理解這種不尋常的超導狀態背後至關重要的物理學原理。”
通過同時使用這兩種方法調整三層結構，研究小組在一定條件下觀察到了超導性，包括在相對較高的3開爾文臨界溫度下，即使此時材料的電子密度很低。相比之下，量子計算領域正在研究使用鋁製作超導體，鋁具有更高的電子密度，而它僅在約1開爾文的溫度下才具備超導性。
Jarillo-Herrero說：“我們發現魔角三層石墨烯可以成為最強大的耦合超導體，這意味著在給定的電子數量很少的情況下，它也能在相對較高的溫度下進行超導。它能帶來最大的收益。”
研究人員計劃製造三層以上的轉角石墨烯結構，以了解具有更高電子密度的此類構型是否可以在更高的溫度下表現出超導性，甚至實現室溫超導。
“如果能夠工業化大規模生產這些結構，那麽我們就可以製造用於量子計算的超導比特，或者低溫超導電子器件、光子探測器等。不過我們還不知道如何一次製造數十億個這樣的結構，”Jarillo-Herrrero說。
Park說：“我們的主要目標是理解強耦合超導的基本性質。三層石墨烯不僅是有史以來最強大的強耦合超導體，它還具備最大的調節空間。借助這種可調諧性，我們能夠真正實現在相空間的任何位置探索超導電性。”
翻譯：戚譯引
引進來源：MIT
引進鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03192-0
本文來自：環球科學


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