通過一些仔細的扭曲和堆疊，麻省理工學院的物理學家揭示了“魔角”石墨烯的一種新奇特性：可以用電脈沖打開和關閉的超導性，就像電燈開關一樣。
這一發現可能會導致用于神經形態設備的超快、高能效超導晶體管——設計用于以類似于人腦中神經元快速開/關放電的方式運行的電子設備。
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的六邊形圖案連接在一起。當一片石墨烯以精確的“魔幻”角度堆疊在另一片石墨烯上時，扭曲的結構會產生略微偏移的“莫爾”圖案或超晶格，能夠支持許多令人驚訝的電子行為。
2018 年，麻省理工學院的 Pablo Jarillo-Herrero 和他的團隊率先展示了魔角扭曲雙層石墨烯。他們表明，當他們施加一定的連續電場時，新的雙層結構可以起到絕緣體的作用，就像木頭一樣。當他們提高磁場時，絕緣體突然變成超導體，讓電子無摩擦地流動。
這一發現是“雙電子學”領域的一個分水嶺，該領域探索二維材料的扭曲和分層如何產生某些電子特性。包括 Jarillo-Herrero 在內的研究人員繼續揭示魔角石墨烯的驚人特性，包括在不同電子狀態之間切換材料的各種方法。到目前為止，這種“開關”的作用更像是調光器，因為研究人員必須持續施加電場或磁場來開啟超導性，并使其保持開啟狀態。
現在，Jarillo-Herrero 和他的團隊已經表明，魔角石墨烯中的超導性可以通過短脈沖而不是連續電場開啟并保持開啟。他們發現，關鍵是扭曲和堆疊的結合。
在今天發表在 Nature Nanotechnology 上的一篇論文中，該團隊報告說，通過在兩個偏置的氮化硼層（一種二維絕緣材料）之間堆疊魔角石墨烯，三明治結構的獨特排列使研究人員能夠將石墨烯的超導性轉變為并用短電脈沖關閉。
“對于絕大多數材料，如果你移除電場，zzzzip，電狀態就消失了，”麻省理工學院 Cecil 和 Ida Green 物理學教授 Jarillo-Herrero 說。“這是第一次制造出可以突然電開關的超導材料。這可能為新一代扭曲的、基于石墨烯的超導電子產品鋪平道路。”
他在麻省理工學院的合作者是主要作者 Dahlia Klein 博士、研究生 Li-Qiao Xia 和博士后 David MacNeill，以及日本國家材料科學研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。
撥動開關
2019 年，斯坦福大學的一個團隊發現魔角石墨烯可以被強制進入鐵磁狀態。鐵磁體是即使在沒有外加磁場的情況下也能保持其磁性的材料。
研究人員發現，魔角石墨烯可以以一種可以打開和關閉的方式表現出鐵磁特性。當石墨烯片層疊在兩片氮化硼之間，使得石墨烯的晶體結構與氮化硼層之一對齊時，就會發生這種情況。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對齊，但面包底部切片相對于頂部切片以隨機角度旋轉。結果引起了麻省理工學院小組的興趣。
“我們試圖通過對齊兩個切片來獲得更強的磁鐵，”Jarillo-Herrero 說。“相反，我們發現了一些完全不同的東西。”
在他們目前的研究中，該團隊制作了一個由經過仔細傾斜和堆疊的材料組成的三明治。三明治的“奶酪”由魔角石墨烯組成——兩個石墨烯片，頂部相對于底部片以 1.1 度的“魔角”輕微旋轉。在這個結構之上，他們放置了一層氮化硼，與頂部石墨烯片精確對齊。最后，他們在整個結構下方放置了第二層氮化硼，并相對于頂層氮化硼將其偏移 30 度。
然后，該團隊在施加柵極電壓時測量了石墨烯層的電阻。與其他人一樣，他們發現扭曲的雙層石墨烯會切換電子狀態，在某些已知電壓下在絕緣、導電和超導狀態之間變化。
該小組沒有預料到的是，一旦電壓被移除，每個電子狀態都會持續存在而不是立即消失——這種特性被稱為雙穩態。他們發現，在特定電壓下，石墨烯層會變成超導體，并保持超導狀態，即使研究人員移除了該電壓。
這種雙穩態效應表明超導性可以通過短電脈沖而不是連續電場來開啟和關閉，類似于輕按電燈開關。目前尚不清楚是什么使這種可切換的超導性成為可能，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，這使得系統能夠產生類似鐵電的響應。（鐵電材料在其電性能方面表現出雙穩態。）
“通過關注堆疊，您可以為魔角超導設備日益復雜的情況添加另一個調諧旋鈕，”克萊因說。
目前，該團隊將新的超導開關視為研究人員在開發用于更快、更小、更節能的電子材料的材料時可以考慮的另一種工具。
Jarillo-Herrero 說：“人們正在嘗試構建以一種受大腦啟發的方式進行計算的電子設備。” “在大腦中，我們有神經元，超過某個閾值，它們就會放電。同樣，我們現在已經找到了一種讓魔角石墨烯突然切換超導性的方法，超過某個閾值。這是實現神經形態計算的關鍵特性。”
這項研究得到了美國空軍科學研究辦公室、美國陸軍研究辦公室以及戈登和貝蒂摩爾基金會的部分支持。
摘自《The Graphene Council》網站
