近日，曹原導(dǎo)師Pablo Jarillo-Herrero教授和他的團隊在Nature Nanotechnology以題為“Electrical switching of a bistable moiré superconductor”發(fā)表了一篇論文，結(jié)果表明，魔角石墨烯中的超導(dǎo)性可以被開啟，并保持下去，只需一個短脈沖而不是一個連續(xù)的電場。他們發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在于扭曲和堆疊的結(jié)合。通過將魔角石墨烯堆疊在兩層偏移的氮化硼（一種二維絕緣材料）之間，三明治結(jié)構(gòu)的獨特排列使研究人員能夠用一個短電脈沖打開和關(guān)閉石墨烯的超導(dǎo)性。本文的主要作者Dahlia Klein、Li-Qiao Xia和David MacNeill，以及日本國家材料科學(xué)研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

談到魔角石墨烯，就不得不提一個人：“石墨烯超導(dǎo)駕馭者”曹原。2018年，年僅22歲的他因在石墨烯超導(dǎo)材料方面的巨大突破，其論文連續(xù)被《自然》雜志刊登，也被該雜志評為“2018年度影響世界的十大科學(xué)人物之一”，并高居榜首。魔角石墨烯指的是一種非常特殊的石墨烯堆疊——一種由碳原子制成的原子薄材料，這些碳原子以類似于鐵絲網(wǎng)的六邊形圖案連接在一起。當(dāng)一片石墨烯以精確的“魔幻”角度堆疊在另一片石墨烯上時，扭曲的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生略微偏移的“莫爾”圖案或超晶格，能夠支持許多令人驚訝的電子行為。這一發(fā)現(xiàn)催生了“扭曲電子學(xué)”，這是一個探索某些電子特性如何從二維材料的扭曲和分層中產(chǎn)生的領(lǐng)域。包括Jarillo-Herrero在內(nèi)的研究人員繼續(xù)揭示魔角石墨烯的驚人特性，包括在不同電子狀態(tài)之間切換材料的各種方法。到目前為止，這種“開關(guān)”的作用更像是調(diào)光器，因為研究人員必須持續(xù)施加電場或磁場來開啟超導(dǎo)性，并使其保持開啟狀態(tài)。

Figure 1. 在魔角石墨烯中開啟和關(guān)閉超導(dǎo)性的新方法然而，今日《Nat. Nanotech.》的最新發(fā)現(xiàn)表明：通過一些仔細的扭曲和堆疊，科學(xué)家在"魔角"石墨烯中發(fā)現(xiàn)了一種新的和奇特的特性：可以用電脈沖開啟和關(guān)閉的超導(dǎo)性，很像一個光開關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致用于神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的超快、高能效超導(dǎo)晶體管——設(shè)計用于以類似于人腦中神經(jīng)元快速開/關(guān)放電的方式運行的電子設(shè)備。這是第一次制造出可以用電開和關(guān)的超導(dǎo)材料，而且是突然地開啟。這可能為新一代扭曲的、基于石墨烯的超導(dǎo)電子產(chǎn)品鋪平道路。【翻轉(zhuǎn)開關(guān)】2019年，斯坦福大學(xué)的一個團隊發(fā)現(xiàn)，魔角石墨烯可以被強制轉(zhuǎn)變到鐵磁狀態(tài)。鐵磁體是一種即使在沒有外部施加磁場的情況下也能保持其磁性的材料。研究人員發(fā)現(xiàn)，魔角石墨烯可以以一種可以調(diào)節(jié)的方式（打開或關(guān)閉）表現(xiàn)出鐵磁特性。當(dāng)石墨烯片被分層在兩片氮化硼之間，使石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)與其中一個氮化硼層對齊時，就會發(fā)生這種情況。這種排列方式類似于奶酪三明治，其中頂部的面包片和奶酪的方向是一致的，但底部的面包片相對于頂部的面包片旋轉(zhuǎn)了一個隨機角度。從之前的工作中得到啟發(fā)，Jarillo-Herrero試圖通過將兩片面包對齊來獲得更強的磁力。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)了完全不同的東西。

圖 1. 器件特性在他們目前的研究中，該小組制作了一個由仔細傾斜和堆疊的材料組成的三明治。三明治的"奶酪"由魔角的石墨烯組成——兩片石墨烯，頂部相對于底部的石墨烯稍微旋轉(zhuǎn)了1.1度的"神奇"角度。在這個結(jié)構(gòu)上方，他們放置了一層氮化硼，與頂部的石墨烯片完全對齊。最后，他們在整個結(jié)構(gòu)下方放置了第二層氮化硼，并將其相對于頂部的氮化硼層偏移30度。然后，該團隊在施加?xùn)艠O電壓時測量了石墨烯層的電阻。他們發(fā)現(xiàn)，正如其他人所發(fā)現(xiàn)的那樣，扭曲的雙層石墨烯切換了電子狀態(tài)，在某些已知的電壓下在絕緣、導(dǎo)電和超導(dǎo)狀態(tài)之間變化。

圖 2. 縱向電阻的雙柵圖該小組沒有想到的是，每一種電子狀態(tài)都持續(xù)存在，而不是一旦電壓被移除就立即消失——這種特性被稱為雙穩(wěn)態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，在一個特定的電壓下，石墨烯層變成了超導(dǎo)體，并保持超導(dǎo)狀態(tài)，即使研究人員移除這個電壓。這種雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)表明，超導(dǎo)性可以通過短的電脈沖而不是連續(xù)的電場來開啟和關(guān)閉，類似于按動燈的開關(guān)。目前還不清楚是什么促成了這種可切換的超導(dǎo)性，盡管研究人員懷疑這與扭曲的石墨烯與兩個氮化硼層的特殊排列有關(guān)，這使得該系統(tǒng)具有類似鐵電的反應(yīng)。(鐵電材料在其電性能中顯示出雙穩(wěn)態(tài)）。

圖 3. 穩(wěn)健超導(dǎo)性的表征

圖 4. MATBG 狀態(tài)和超導(dǎo)性的電氣切換【意義】通過關(guān)注堆疊和扭曲，未來人們可以為日益復(fù)雜的魔角超導(dǎo)設(shè)備添加另一個調(diào)諧旋鈕。Jarillo-Herrero說："人們正試圖建造電子設(shè)備，以一種受大腦啟發(fā)的方式進行計算。"在大腦中，我們有神經(jīng)元，超過一定的閾值，它們就會啟動。同樣，我們現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種方法，讓魔角石墨烯在超過一定閾值時突然切換超導(dǎo)性。這是實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計算的一個關(guān)鍵屬性。"

目前，新的超導(dǎo)開關(guān)是研究人員在為更快、更小、更節(jié)能的電子產(chǎn)品開發(fā)材料時可以考慮的另一個工具。

來源：高分子科學(xué)前沿