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主页>压力>一种能演奏不止一种曲调的石墨烯超导体:伯克利实验室的研究人员已经为科学家们开发了一个研究奇异量子物理的小型工具箱。

石墨烯/氮化硼Moir超晶格材料由三层原子厚度的(2d)层石墨烯(灰色)组成,夹在2d层氮化硼(红色和蓝色)之间,形成称为Moir超晶格的重复图案。超导性由浅绿色圆圈表示。CreditGuorui Chen等人/伯克利实验室
石墨烯/氮化硼Moir超晶格材料由三层原子厚度的(2d)层石墨烯(灰色)组成,夹在2d层氮化硼(红色和蓝色)之间,形成称为Moir超晶格的重复图案。超导性由浅绿色圆圈表示。CreditGuorui Chen等人/伯克利实验室

摘要:
美国的研究人员美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)已经开发出一种比人类头发细但具有深度特殊特性的石墨烯装置。它很容易从导电的超导材料转换而不损失任何能量,对于一个抵抗电流流动的绝缘体,然后再回到超导体,所有这些都只需简单地翻转一个开关。他们的发现今天发表在《自然》杂志上。

一种能演奏不止一种曲调的石墨烯超导体:伯克利实验室的研究人员已经为科学家们开发了一个研究奇异量子物理的小型工具箱。

伯克利,CA 7月19日发布,2019年

“通常,当有人想研究超导量子相与绝缘相中电子如何相互作用时,他们需要看不同的材料。我们的系统,你可以在一个地方同时研究超导相和绝缘相,”陈国瑞说,该研究的主要作者和王峰实验室的博士后研究员,谁领导了这项研究。王先生,伯克利实验室材料科学部的教员科学家,也是加州大学伯克利分校物理教授。

石墨烯器件由三层原子层(2d)组成。当夹在二维氮化硼层之间时,它形成一种称为Moir超晶格的重复模式。这种材料可以帮助其他科学家理解高温超导现象背后的复杂力学。当材料在高于预期的温度下无电阻导电时,尽管仍在冰点以下几百度。

在之前的研究中,研究人员报告了在由三层石墨烯制成的器件中观察到的莫特绝缘体的特性。莫特绝缘体是一类物质,尽管经典理论预测了导电性,但它在低于冰点几百度的温度下仍会停止导电。但长期以来人们一直认为,通过增加更多的电子或正电荷使其超导,莫特绝缘体可以变得超导,陈解释道。

在过去的10年里,研究人员一直在研究如何组合不同的二维材料,通常从石墨烯开始,石墨烯是一种能有效地传导热和电的物质。从这个工作中,其他研究人员发现,当层以直角排列时,由石墨烯形成的Moir超晶格呈现出奇特的物理现象,如超导性。

“所以在这项研究中,我们问自己,如果我们的三层石墨烯系统是莫特绝缘体,它也可以是超导体吗?陈说。

开启物理新世界的大门

与斯坦福大学的David Goldhaber Gordon和SLAC国家加速器实验室的斯坦福材料与能源科学研究所合作,复旦大学的张元波,研究人员使用稀释冰箱,它可以达到40毫开尔文的极冷温度——或接近零下460华氏度——将石墨烯/氮化硼装置冷却到研究人员预期的超导性出现在莫特绝缘体相附近的温度,陈说。

一旦装置达到4开尔文(零下452华氏度)的温度,研究人员将一系列的电压施加到装置的顶部和底部的小栅极上。如他们所料,当他们在顶部和底部的闸门上施加高垂直电场时,石墨烯/氮化硼装置的每个电池中都充满了一个电子。这导致电子稳定并保持在原位,电子的这种“局部化”把这个装置变成了莫特绝缘体。

然后,他们给栅极施加了更高的电压。令他们高兴的是,第二个读数表明电子不再稳定。相反,他们来回穿梭,从一个单元移动到另一个单元,无损耗、无电阻导电。换句话说,该器件已从MOTT绝缘体相转变为超导体相。

陈解释说,氮化硼Moir超晶格在某种程度上增加了电子与电子之间的相互作用,这种相互作用是在对器件施加电压时发生的。对其超导相进行开关的效应。它也是可逆的-当一个较低的电压施加到门上时,设备切换回绝缘状态。

多任务设备为科学家提供了一个很小的,多用途的操场,用于研究奇异的新型超导材料中原子和电子之间的微妙相互作用,这些材料在量子计算机中有潜在的用途——存储和操作量子比特信息的计算机。它是典型的亚原子粒子,如电子或光子,以及新的MOTT绝缘体材料,有一天会使微电子用的微小的二维MOTT晶体管成为现实。

“这个结果让我们非常兴奋。我们从来没有想到石墨烯/氮化硼装置会做得这么好,”陈说。“你几乎可以用它来学习所有的东西,从单个粒子到超导电性。这是我所知道的最好的研究新物理的系统,”陈说。

这项研究得到了材料中量子相干新途径中心(NPQC)的支持。由伯克利实验室领导、能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心。NPQC汇集了伯克利实验室的研究人员,阿贡国家实验室,哥伦比亚大学,加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)研究了量子相干是如何在诸如三层石墨烯等新材料中形成意想不到的现象的,着眼于量子信息科学和技术的未来应用。

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上海交通大学和南京大学的研究人员也参与了这项研究。中国;国家材料科学研究所,日本;首尔大学,韩国。

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关于劳伦斯伯克利国家实验室
成立于1931年,相信最大的科学挑战最好由团队解决,劳伦斯伯克利国家实验室及其科学家获得13项诺贝尔奖。今天,伯克利实验室研究人员开发可持续能源和环境解决方案,创建有用的新材料,推进计算领域,探索生命的奥秘,重要的是,还有宇宙。来自世界各地的科学家依靠实验室的设施进行他们自己的发现科学。伯克利实验室是一个多道程序国家实验室,由美国加州大学管理。能源部科学办公室。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的唯一最大支持者,并且正在努力应对我们这个时代最紧迫的挑战。更多信息,请访问energy.gov/science。

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