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美國(guó)能源部勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種石墨烯裝置，它比人的頭發(fā)還薄，還具有深度特殊的特性。它可以很容易地從導(dǎo)電而不損失任何能量的超導(dǎo)材料，切換到阻擋電流的絕緣體，然后再回到超導(dǎo)材料——所有這一切都只需要簡(jiǎn)單地翻轉(zhuǎn)一個(gè)開(kāi)關(guān)，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》上。通常，當(dāng)有人想研究電子在超導(dǎo)量子相和絕緣相中的相互作用時(shí)，需要研究不同的材料。 伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的教授，也是加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)王教授說(shuō)：通過(guò)該系統(tǒng)，可以在一個(gè)地方同時(shí)研究超導(dǎo)相和絕緣相。石墨烯器件由三層原子厚度(二維)石墨烯構(gòu)成，當(dāng)夾在二維氮化硼層之間時(shí)，會(huì)形成一個(gè)重復(fù)的圖案，稱(chēng)為莫爾超晶格。這種材料可以幫助其他科學(xué)家理解高溫超導(dǎo)現(xiàn)象背后的復(fù)雜力學(xué)原理。高溫超導(dǎo)現(xiàn)象是指一種材料可以在高于預(yù)期的溫度下導(dǎo)電，盡管溫度仍然低于冰點(diǎn)數(shù)百度。 在之前的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家觀察了由三層石墨烯制成裝置中Mott絕緣體的特性。Mott絕緣體是一類(lèi)在冰點(diǎn)以下數(shù)百度時(shí)不導(dǎo)電的材料，盡管經(jīng)典理論預(yù)測(cè)其電導(dǎo)率。但長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為Mott絕緣體可以通過(guò)添加更多的電子或正電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。在過(guò)去的10年里，研究人員一直在研究將不同的二維材料結(jié)合起來(lái)的方法，通常從石墨烯開(kāi)始。石墨烯是一種以高效導(dǎo)熱和導(dǎo)電而聞名的材料。在這項(xiàng)研究之外，其他研究人員還發(fā)現(xiàn)，石墨烯形成的莫爾超晶格具有奇異物理特性。 打開(kāi)通往物理學(xué)新世界的大門(mén)比如當(dāng)層以合適的角度排列時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)性。因此，在這項(xiàng)研究中，如果三層石墨烯系統(tǒng)是Mott絕緣體，它也能是超導(dǎo)體嗎？研究人員與斯坦福大學(xué)的David Goldhaber-Gordon、斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的David Goldhaber-Gordon以及復(fù)旦大學(xué)的yubo Zhang合作，使用了稀釋冰箱，石墨烯/氮化硼器件的溫度可以達(dá)到接近華氏零下460度，從而使石墨烯/氮化硼器件降溫到研究人員預(yù)期超導(dǎo)性出現(xiàn)在Mott絕緣體相附近的溫度，一旦該設(shè)備達(dá)到4開(kāi)爾文(零下452華氏度)的溫度。 研究人員在該設(shè)備頂部和底部微小門(mén)上施加了一系列的電壓。正如他們所料，當(dāng)在頂部和底部的柵極上都施加一個(gè)高垂直電場(chǎng)時(shí)，石墨烯/氮化硼裝置的每個(gè)單元都充滿(mǎn)了一個(gè)電子。這使得電子穩(wěn)定并停留在原地，這種電子的“定位”將設(shè)備變成了Mott絕緣體。然后施加了更高的電壓，令他們高興的是，第二次讀數(shù)表明電子不再穩(wěn)定。相反，它們?cè)诩?xì)胞間穿梭，在沒(méi)有損耗和阻力的情況下導(dǎo)電。換句話說(shuō)，該器件已經(jīng)從Mott絕緣體相切換到超導(dǎo)體相。氮化硼莫爾超晶格在某種程度上增加了電子與電子之間的相互作用。 這種作用是在施加電壓時(shí)發(fā)生，這種作用會(huì)改變器件的超導(dǎo)相。它也是可逆性的——當(dāng)一個(gè)較低電壓被施加到門(mén)上，設(shè)備會(huì)切換回絕緣狀態(tài)。這種多任務(wù)處理設(shè)備為科學(xué)家們提供了一個(gè)小型、多功能的游樂(lè)場(chǎng)，用于研究奇異新型超導(dǎo)材料中原子和電子之間微妙的相互作用，這種新型超導(dǎo)材料在量子計(jì)算機(jī)中具有潛在的用途。計(jì)算機(jī)以量子位(通常是電子或光子等亞原子粒子)存儲(chǔ)和操縱信息——以及新型莫特絕緣體材料，有朝一日可能使微型二維莫特晶體管成為現(xiàn)實(shí)。 研究人員從未想過(guò)石墨烯/氮化硼裝置會(huì)做得這么好，可以用它研究幾乎所有的東西，從單個(gè)粒子到超導(dǎo)性。這是研究人員所知道最好的，學(xué)習(xí)新型物理的系統(tǒng)。這項(xiàng)研究得到了材料中量子相干新途徑中心(NPQC)的支持，該中心是伯克利實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的能源前沿研究中心，由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室資助。NPQC將伯克利實(shí)驗(yàn)室、哥倫比亞大學(xué)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員聚集在一起，研究三層石墨烯等新材料中量子相干現(xiàn)象是如何形成的，并著眼于量子信息科學(xué)和技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用。
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