麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員又有了新發(fā)現(xiàn)，石墨烯可以通過(guò)調(diào)節(jié)變?yōu)榻^緣體或超導(dǎo)體。過(guò)去研究者們通過(guò)將石墨烯與其他超導(dǎo)材料結(jié)合的方式合成石墨烯超導(dǎo)體，這種結(jié)構(gòu)使得石墨烯具備一定的超導(dǎo)特性。但是最新的研究表明，石墨烯靠自己也可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，證明單純的碳基材料本身也具有超導(dǎo)性。

神奇的“魔角”

研究人員通過(guò)創(chuàng)建兩個(gè)石墨烯薄片堆疊在一起的“超晶格”結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一性質(zhì)。石墨烯薄片不是完全重合疊加，而是在一個(gè)特定的角度（研究人員稱其為“魔角”），也就是旋轉(zhuǎn)1.1度（如上圖右側(cè)所示）。這樣就形成了精確的莫爾結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使石墨烯薄片之間的電子發(fā)生強(qiáng)相互作用。在其他任何方式的堆疊結(jié)構(gòu)中，石墨烯都很少與相鄰的電子產(chǎn)生相互作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以這個(gè)“魔角”旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩片石墨烯不導(dǎo)電，類似于莫特絕緣體。當(dāng)研究人員施加電壓，向石墨烯超晶格添加少量電子時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在一定水平上，電子突破了初始絕緣狀態(tài)，形成電流，并且沒(méi)有電阻，就像超導(dǎo)體一樣?！艾F(xiàn)在我們可以利用石墨烯作為研究超常規(guī)超導(dǎo)的新平臺(tái)，”研究人員說(shuō)。人們也可以想象出從石墨烯中制造出一種超導(dǎo)晶體管，這種晶體管可以由開關(guān)控制其從超導(dǎo)到絕緣體的變化。這為量子設(shè)備提供了許多可能性?！?/p>

什么是莫特絕緣體？

絕緣體的能帶完全被電子沾滿，而像金屬這樣的導(dǎo)體其能帶被部分填充，電子可以自由填充剩下的空能帶。而莫特絕緣體與兩者不同，從它的能帶結(jié)構(gòu)看是可以導(dǎo)電的，但是測(cè)量時(shí)卻表現(xiàn)出絕緣體的特性。也就是說(shuō)雖然它們的能帶是半填充的，但是由于電子間的靜電作用（例如同種電荷互相排斥），材料不導(dǎo)電。半填充帶基本上分裂成兩個(gè)平坦的能帶，電子完全占據(jù)其中一條，另一條是空的，因而表現(xiàn)出絕緣體的性質(zhì)。

“這意味著所有的電子都不能流動(dòng)，所以它是絕緣體”研究人員解釋道?！澳亟^緣體為什么重要？有數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)高溫超導(dǎo)體的母體化合物都是莫特絕緣體。”換句話說(shuō)，科學(xué)家已經(jīng)找到了能讓莫特絕緣體變成超導(dǎo)體的方法，在約100K的時(shí)候。研究人員用氧去“吸”莫特絕緣體，氧原子將電子從莫特絕緣體中吸出去，留下更多的空間讓剩余的電子流動(dòng)。氧氣充足的條件下，絕緣體就能變成導(dǎo)體。

如何制備出“魔角”結(jié)構(gòu)的石墨烯

在研究石墨烯的電子性質(zhì)時(shí)，研究人員開始研究簡(jiǎn)單的石墨烯堆。研究人員首先從石墨中剝離一塊石墨烯薄片，然后用涂有粘性聚合物的玻璃片和一層氮化硼絕緣材料，小心地將一半的薄片剝離出來(lái)，從而制造出兩片超晶格。然后他們輕輕地轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃片，拿起了石墨薄片的第二部分，貼在前半部分上。這樣，他們就得到了一個(gè)超晶格的偏移結(jié)構(gòu)，這是與石墨烯原始蜂窩晶格截然不同的結(jié)構(gòu)。

研究人員重復(fù)了幾次這個(gè)實(shí)驗(yàn)，做了幾個(gè)裝置，使石墨烯超晶格在0-3°之間旋轉(zhuǎn)不同的角度，測(cè)量電流通過(guò)。如果旋轉(zhuǎn)角度下降0.2°，所有的物理現(xiàn)象消失，沒(méi)有超導(dǎo)體或莫特絕緣體出現(xiàn)，所以必須非常精確地對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)角度。

1.1°被認(rèn)為是一個(gè)“魔角”，研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯超晶格電子類似扁平帶結(jié)構(gòu)，就像莫特絕緣體，無(wú)論動(dòng)量是多少，所有的電子攜帶相同的能量。研究人員說(shuō)：“想象汽車的動(dòng)量是質(zhì)量×速度，如果以30英里/小時(shí)的速度行駛，汽車會(huì)有一定的動(dòng)能。如果以60英里/小時(shí)的速度行駛，這個(gè)動(dòng)能就會(huì)更高。而我們現(xiàn)在的情況是想象不管速度是30、60或是100英里/小時(shí)，都擁有同樣的能量。”對(duì)電子來(lái)說(shuō)這就意味著即使它們占據(jù)了半填充的能帶，一個(gè)電子的能量不比任何其他電子的多，不足以使它在這個(gè)能帶內(nèi)移動(dòng)。因此，即使這樣半填充的能帶結(jié)構(gòu)應(yīng)該像導(dǎo)體一樣，它卻表現(xiàn)為絕緣體的特性，更確切一點(diǎn)說(shuō)是莫特絕緣體。

把“魔角”結(jié)構(gòu)的石墨烯做成超導(dǎo)體

研究人員從之前的結(jié)論中得到這樣一個(gè)想法：如果他們能把電子添加到這些類似莫特絕緣體的超晶格中，就像用氧摻雜莫特絕緣體使它們變成超導(dǎo)體一樣，石墨烯會(huì)反過(guò)來(lái)呈現(xiàn)超導(dǎo)性質(zhì)嗎？為了找出答案，他們將一個(gè)小的觸發(fā)電壓施加到“魔角石墨烯超晶格”，向其中加入少量的電子。結(jié)果單個(gè)電子與石墨烯中的其他電子結(jié)合在一起，并且可以流動(dòng)。過(guò)程中，研究人員繼續(xù)測(cè)量材料的電阻，卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)他們添加一定量的少量電子時(shí)，電流就像超導(dǎo)體一樣不損耗能量。

更重要的是，研究人員可以在同一個(gè)設(shè)備中通過(guò)調(diào)整石墨烯使其變成絕緣體或超導(dǎo)體，或是這之間的任何相位。這與之前其他的方法形成鮮明的對(duì)比，以前科學(xué)家們需要制備和操作成百上千個(gè)單獨(dú)的晶格，每一個(gè)晶格只能在一個(gè)電子相位中運(yùn)行。

也就是說(shuō)研究人員可以通過(guò)研究石墨烯這一種材料就可以獲取絕緣體、超導(dǎo)體以及中間任何相位的物理信息。而目前其他任何材料都還不具備這種性質(zhì)。