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復旦大學等?《Nature》重磅:石墨烯超導再獲得突破!

   2019-07-19 材料科學前沿1289
核心提示:近日,《自然》連刊兩文報道石墨烯超導重大發現。年僅21歲麻省理工學院博士生曹原發現了石墨烯的魔角。當溫度冷卻到1.7K時,當兩
日,《自然》連刊兩文報道石墨烯超導重大發現。年僅21歲麻省理工學院博士生曹原發現了石墨烯的“魔角”。當溫度冷卻到1.7K時,當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度,就會產生神奇的超導效應。前人的研究集中在氧化銅材料的超導電性,氧化銅材料的超導電性往往需要在高溫下才得以顯現。曹原等僅僅通過簡單的雙層石墨烯碳材料,提供了一個復雜超導物理的探索平臺。

哥倫比亞大學物理學家Cory Dean指出,雙層石墨烯只有在兩個石墨烯層的原子晶格相對于彼此扭轉了1.1°的“魔角”時才具有超導 -在已知的最薄材料上進行這項操作是非常困難的。“如果稍有偏離就行不通,”近日,斯坦福大學的物理學家David Goldhaber-Gordon加州大學伯克利分校的物理學家Wang Feng 和復旦大學Zhang Yuanbo團隊更容易獲得的三層石墨烯片中發現了超導電性的跡象,相比于雙層石墨烯超導,三層石墨烯不必發生扭曲,每層原子晶格的上層和下層對齊,這在生產多層石墨烯時自然而然的形成這樣的結構。借助三層石墨烯,有望幫助研究人員更快了解銅氧化物中的超導性。相關研究以“Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré superlattice”為題發表在《Nature》上,第一作者為Chen Guorui

該文采用了現有標準的方法來剝離石墨烯薄片。首先,將一塊透明膠帶粘在一大塊石墨上 - 大多數鉛筆中的成分- 然后對此進行剝離。通過撕膠帶的方法(機械剝離法)。Wang Feng 團隊之前開創了一種技術,發現三層石墨烯中獨特的光學特征。

機械剝離法制備石墨烯 

然后,該團隊將這些三層薄片作為制造電氣設備的起始材料。它們將三層薄片夾在氮化硼層之間,防止石墨烯被污染的同時防止其發生彎曲。在一些地方,氮化硼層中的原子與石墨烯層中的碳原子精確對齊,但是在幾納米之外它們是偏移的。在大約10納米之后,層中的原子再次對齊,產生“莫爾”重復圖案,其在扭曲的雙層石墨烯中也是明顯的。每個重復的莫爾晶胞除了材料本身的電子外,可以容納多達四個額外的電子,從而改變材料的導電性。

接下來,研究人員在薄片頂部構筑金屬圖案,用“柵極”構建晶體管,控制在材料中添加電子。通過操縱柵極上的電場,研究人員能夠精確控制每個重復莫爾晶胞中存在電子數量。當他們向每個晶胞添加三個電子并將溫度降至低于2K時,他們注意到電阻急劇下降,這是超導性的一個標志 。他們還注意到,當他們對樣品外部施加磁場時,接近零的電阻消失了,這是超導的另一個跡象。Goldhaber-Gordon補充說,這些信號還不確定,目前仍然存在兩個問題:首先,電阻沒有完全降至零,這可能是由于石墨烯薄片中的雜質導致的;其次,它可能無法實現大面積超導。

盡管如此,Goldhaber-Gordon指出,三個額外電子的表觀超導性與傳統的高溫超導體(1986年發現的銅基材料)相似。這提高了三層石墨烯作為超導材料的希望。一個很好的模型系統,用于解決這個長期存在的謎團。他說,三層石墨烯提供了是一個清晰的研究系統,它提供了一種探索復雜物理學研究的簡單方法。” 

 
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