通過(guò)一些仔細(xì)的扭曲和堆疊，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家揭示了“魔角”石墨烯的一種新的奇特特性：超導(dǎo)性，可以用電脈沖打開和關(guān)閉，就像電燈開關(guān)一樣。

這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致用于神經(jīng)形態(tài)器件的超快，節(jié)能超導(dǎo)晶體管 - 設(shè)計(jì)為類似于人腦中神經(jīng)元快速開/關(guān)放電的電子設(shè)備。

魔角石墨烯是指石墨烯的一種非常特殊的堆疊 - 一種由碳原子制成的原子薄材料，這些碳原子以類似于雞絲的六邊形圖案連接。當(dāng)一片石墨烯以精確的“魔術(shù)”角度堆疊在另一片石墨烯上時(shí)，扭曲的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生略微偏移的“摩爾紋”圖案或超晶格，能夠支持許多令人驚訝的電子行為。

2018年，麻省理工學(xué)院的Pablo Jarillo-Herrero和他的團(tuán)隊(duì)首次展示了魔角扭曲雙層石墨烯。他們表明，當(dāng)他們施加一定的連續(xù)電場(chǎng)時(shí)，新的雙層結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)為絕緣體，就像木材一樣。當(dāng)他們提高磁場(chǎng)時(shí)，絕緣體突然變成了超導(dǎo)體，允許電子無(wú)摩擦地流動(dòng)。

這一發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了“扭曲電子學(xué)”，這是一個(gè)探索某些電子特性如何從二維材料的扭曲和分層中出現(xiàn)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)”更像是調(diào)光器，因?yàn)檠芯咳藛T必須不斷施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)打開超導(dǎo)性，并保持超導(dǎo)性。

現(xiàn)在，Jarillo-Herrero和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，魔角石墨烯中的超導(dǎo)性可以打開并保持開啟，只需一個(gè)短脈沖而不是連續(xù)的電場(chǎng)。他們發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵是扭曲和堆疊的組合。

在今天發(fā)表在Nature Nanotechnology上的一篇論文中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，通過(guò)在氮化硼(一種二維絕緣材料)的兩個(gè)偏移層之間堆疊魔角石墨烯，夾層結(jié)構(gòu)的獨(dú)特排列使研究人員能夠打開和關(guān)閉石墨烯的超導(dǎo)性與短電脈沖。

“對(duì)于絕大多數(shù)材料，如果你去除電場(chǎng)zzzzip，電狀態(tài)就消失了，”麻省理工學(xué)院塞西爾和艾達(dá)格林物理學(xué)教授Jarillo-Herrero說(shuō)。“這是第一次制造出可以突然電打開和關(guān)閉的超導(dǎo)材料。這可能為新一代扭曲的石墨烯基超導(dǎo)電子學(xué)鋪平道路。

他的麻省理工學(xué)院合著者是主要作者Dahlia Klein，Li-Qiao Xia和David MacNeill，以及日本國(guó)家材料科學(xué)研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

撥動(dòng)開關(guān)

2019年，斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，魔角石墨烯可以被強(qiáng)迫進(jìn)入鐵磁狀態(tài)。鐵磁體是即使在沒(méi)有外部施加磁場(chǎng)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打開和關(guān)閉的方式表現(xiàn)出鐵磁特性。當(dāng)石墨烯片層疊在兩片氮化硼之間時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，使得石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)與氮化硼層之一對(duì)齊。

這種排列類似于奶酪三明治，其中面包的頂部切片和奶酪方向?qū)R，但面包的底部切片相對(duì)于頂部切片以隨機(jī)角度旋轉(zhuǎn)。這一結(jié)果引起了麻省理工學(xué)院小組的興趣。

“我們?cè)噲D通過(guò)對(duì)齊兩個(gè)切片來(lái)獲得更強(qiáng)的磁鐵，”Jarillo-Herrero說(shuō)。“相反，我們發(fā)現(xiàn)了一些完全不同的東西。

在他們目前的研究中，該團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)精心傾斜和堆疊材料的三明治。三明治的“奶酪”由魔術(shù)角石墨烯組成 - 兩個(gè)石墨烯片，頂部相對(duì)于底部片以1.1度的“魔術(shù)”角度略微旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)上面，他們放置了一層氮化硼，與頂部的石墨烯片完全對(duì)齊。最后，他們將第二層氮化硼置于整個(gè)結(jié)構(gòu)下方，并相對(duì)于氮化硼的頂層偏移30度。

然后，該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了石墨烯層在施加?xùn)艠O電壓時(shí)的電阻。他們發(fā)現(xiàn)，與其他人一樣，扭曲的雙層石墨烯切換了電子狀態(tài)，在某些已知電壓下在絕緣，導(dǎo)電和超導(dǎo)狀態(tài)之間變化。

該小組沒(méi)有想到的是，一旦電壓被移除，每個(gè)電子狀態(tài)都會(huì)持續(xù)存在，而不是立即消失 - 這種特性被稱為雙穩(wěn)態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，在特定電壓下，石墨烯層變成超導(dǎo)體，并保持超導(dǎo)，即使研究人員去除了這個(gè)電壓。

這種雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)表明，超導(dǎo)性可以用短電脈沖而不是連續(xù)的電場(chǎng)來(lái)打開和關(guān)閉，類似于輕彈電燈開關(guān)。目前尚不清楚是什么使這種可切換的超導(dǎo)性成為可能，盡管研究人員懷疑它與扭曲的石墨烯與兩個(gè)氮化硼層的特殊排列有關(guān)，這使得系統(tǒng)能夠產(chǎn)生類似鐵電的反應(yīng)。(鐵電材料在其電性能方面表現(xiàn)出雙穩(wěn)態(tài)。

“通過(guò)注意堆疊，你可以為魔角超導(dǎo)設(shè)備日益復(fù)雜的增加另一個(gè)調(diào)諧旋鈕，”克萊因說(shuō)。

目前，該團(tuán)隊(duì)將新的超導(dǎo)開關(guān)視為研究人員在開發(fā)更快，更小，更節(jié)能的電子產(chǎn)品材料時(shí)可以考慮的另一種工具。

“人們正試圖構(gòu)建以受大腦啟發(fā)的方式進(jìn)行計(jì)算的電子設(shè)備，”Jarillo-Herrero說(shuō)。“在大腦中，我們有神經(jīng)元，超過(guò)某個(gè)閾值，它們就會(huì)放電。同樣，我們現(xiàn)在找到了一種方法，讓魔角石墨烯突然切換超導(dǎo)性，超過(guò)一定的閾值。這是實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的關(guān)鍵特性。

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