2021年9月1日，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校Andrea F. Young課題組連續(xù)在《自然》雜志背靠背發(fā)表兩篇論文，報(bào)道了他們?cè)诹饷嫒龑邮┌l(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的最新突破。值得一提的是，兩篇論文的第一作者都是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班的留學(xué)生周昊欣。

2018年，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，被譽(yù)為“天才少年”的曹原，在魔角扭曲的雙層石墨烯中首先發(fā)現(xiàn)新的電子態(tài)，一舉打開(kāi)了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的大門(mén)。

“此次報(bào)道的兩篇論文當(dāng)中，第一篇論文中，研究團(tuán)隊(duì)在菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性，在亞開(kāi)爾文溫度下表現(xiàn)為低電阻率或消失電阻率。第二篇論文，研究團(tuán)隊(duì)在菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)‘半金屬’”和‘四分之一金屬’。”合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院電子科學(xué)系副主任于永強(qiáng)副教授表示，此次晶體菱面三層石墨烯超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為石墨烯超導(dǎo)的研究帶來(lái)更多的可能性。

石墨烯的新技能

超導(dǎo)體早已經(jīng)廣泛應(yīng)用在日常生活的方方面面。例如，它們是核磁共振成像儀器和磁懸浮列車(chē)中的必要組件;還可用于制造傳輸和儲(chǔ)存能量長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)年的電力線路及裝置等等。

石墨烯是由一層碳原子組成六邊形結(jié)構(gòu)的二維原子晶體，由于石墨烯優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種革命性的材料。

而超導(dǎo)石墨烯的出現(xiàn)開(kāi)辟了更多的可能性。例如可以用于超高速計(jì)算機(jī)中的新型超導(dǎo)量子設(shè)備。

“石墨烯具有極高載流子遷移率的零帶隙半導(dǎo)體，并具有完美的狄拉克錐形能帶結(jié)構(gòu)，它的導(dǎo)帶和價(jià)帶具有重合的狄拉點(diǎn)。”于永強(qiáng)告訴記者，科學(xué)家可以通過(guò)疊套方法和較弱的范德瓦爾斯力將石墨烯層與層套疊在一起。

“在疊套過(guò)程中，可將層間扭曲一定角度。通過(guò)改變層間扭曲角度，可以改變套疊石墨烯體系的微觀電子結(jié)構(gòu)，從而改變體系的物理性能。”于永強(qiáng)表示，石墨烯本身不具有超導(dǎo)特性，但石墨烯獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，高載流子遷移率以及可通過(guò)人工層狀原子堆垛方法，實(shí)現(xiàn)扭曲角度而調(diào)控套疊石墨烯體系的微觀電子結(jié)構(gòu)等特性，使其具備實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)潛能。

于永強(qiáng)告訴記者，由于石墨烯是零帶隙高遷移率半導(dǎo)體，單層石墨烯具有高的導(dǎo)電性，良好的光學(xué)特性以及量子霍爾效應(yīng)等物理特性。“相對(duì)于單層石墨烯，雙層石墨烯和多層石墨烯的導(dǎo)電性通常優(yōu)于單層石墨烯。”于永強(qiáng)表示，套疊的雙層或多層石墨烯，可以通過(guò)人工層狀原子堆垛改變層間扭曲角度，可改變體系的導(dǎo)電特性，實(shí)現(xiàn)從絕緣體-導(dǎo)體-超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。

輕輕扭動(dòng)一個(gè)“魔角”，讓石墨烯實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性

2018年3月5日，頂級(jí)期刊《自然》連發(fā)兩篇文章，報(bào)道了石墨烯領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1度的微妙角度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng)，為超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用打開(kāi)了新世界的大門(mén)。

曾經(jīng)困擾物理學(xué)家多年的高溫超導(dǎo)難題，因?yàn)樵撗芯堪l(fā)現(xiàn)迎刃而解!這一發(fā)現(xiàn)，轟動(dòng)了當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界，同時(shí)也開(kāi)辟了凝聚態(tài)物理的一塊全新領(lǐng)域，為研究電子與電子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，提供了全新的、開(kāi)辟性的理論基礎(chǔ)。這就是魔角石墨烯!

而這兩篇《自然》論文的第一作者，就是來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班的曹原。曹原也因此登上了2018年《自然》雜志的年度十大科學(xué)人物，并位列榜首!

“魔角扭曲石墨烯是將第一層石墨烯放置在第二層石墨烯上，然后將第一層石墨烯旋轉(zhuǎn)大約1.1度的角度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把一塊石墨烯斷成兩塊，把其中一塊相對(duì)于另一塊轉(zhuǎn)一個(gè)角度，然后再把兩塊疊起來(lái)。”于永強(qiáng)告訴記者，魔角扭曲石墨烯可以在原子尺度獲得莫爾超晶格，這種物理結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生能量狀態(tài)，阻止電子分開(kāi)，迫使它們相互作用。基于當(dāng)前的超導(dǎo)理論，超導(dǎo)行為被認(rèn)為是源自電子之間的強(qiáng)相互作用。

“具有超晶格的存在的魔角扭曲石墨烯，在門(mén)電壓的調(diào)控下，可連續(xù)調(diào)控其載流子濃度，同時(shí)在更低的溫度時(shí)(約為1.7 K)，達(dá)到超導(dǎo)特性的電子臨界濃度，電子間將出現(xiàn)強(qiáng)的相互作用，獲得超導(dǎo)特性。”于永強(qiáng)說(shuō)。

于永強(qiáng)強(qiáng)調(diào)，要觀察到魔角扭曲石墨烯超導(dǎo)現(xiàn)象，首先需要獲得扭曲角度約1.1 度的莫爾超晶格體系，在低溫條件下(約為1.7K)，然后可通過(guò)門(mén)電壓調(diào)控技術(shù)等調(diào)控其載流子濃度，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性。

晶體菱面三層石墨烯更具超導(dǎo)性

今年年初，已經(jīng)成為博士后的曹原再次以共同第一作者身份，在《自然》上報(bào)道了在三層石墨烯組成的“三明治”中觀察到超導(dǎo)性。在新的三層結(jié)構(gòu)中，中間一層石墨烯相對(duì)于外層以新的角度扭轉(zhuǎn)，其超導(dǎo)性比雙層結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

也是基于發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中可能產(chǎn)生超導(dǎo)性之后不久，就有理論物理學(xué)家提出，在三層或更多層石墨烯中也可能看到相同的現(xiàn)象而衍生的科學(xué)研究。

2021年9月1日，這種菱面體三層石墨烯在短短7個(gè)月的時(shí)間，再次在《自然》上背靠背連發(fā)兩篇文章。這兩篇論文的第一作者，正是曹原在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班的師弟周昊欣。

“此次報(bào)道提出的晶體菱面三層石墨烯，中間一層石墨烯相對(duì)于外層石墨烯以魔角大約是 1.57度，約是魔角扭曲石墨烯的2 倍，在溫度為0.1 K時(shí)， 實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性。”于永強(qiáng)告訴記者，超導(dǎo)特性與每個(gè)莫爾單元中的對(duì)稱性破缺相有關(guān)，超導(dǎo)相被抑制和限制在部分包圍對(duì)稱破缺相。“相對(duì)于魔角扭曲石墨烯，晶體菱面三層石墨烯具有更好的電子結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性和超導(dǎo)特性。”于永強(qiáng)說(shuō)。

“鐵磁性在過(guò)渡金屬化合物中最常見(jiàn)，其中電子占據(jù)高度局部化的 d 軌道。然而，鐵磁有序也可能出現(xiàn)在低密度二維體系電子系統(tǒng)。”于永強(qiáng)告訴記者，此次論文中研究者展示了菱面體三層石墨烯中的門(mén)調(diào)諧范霍夫奇點(diǎn)，將電子系統(tǒng)的自發(fā)鐵磁極化驅(qū)動(dòng)為一種或多種自旋(Spin)電子和谷(Valley)電子特征。

于永強(qiáng)告訴記者，使用電容和電子遷移測(cè)量，研究者觀察到相之間的一系列密度和電子位移場(chǎng)調(diào)諧躍遷，其中量子振蕩具有四倍、兩倍或一倍的簡(jiǎn)并性，分別于與自旋和谷簡(jiǎn)并正常金屬，自旋極化的“半金屬”，以及自旋和谷極化的“四分之一金屬”相關(guān)。

通常認(rèn)為，半金屬在化學(xué)元素周期表中處于金屬向非金屬過(guò)渡的位置，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)介于金屬和非金屬之間。

“值得注意的是，他們發(fā)現(xiàn)同位旋順序只是微弱的擾動(dòng)，每當(dāng)在半或四分之一超晶格帶填充出現(xiàn)流動(dòng)的半或四分之一金屬態(tài)時(shí)，莫爾勢(shì)能催化拓?fù)浞瞧椒矌稇B(tài)的形成。”于永強(qiáng)表示，論文的研究結(jié)果表明，菱形石墨烯是控制良好的多體理論測(cè)試的理想平臺(tái)，并揭示了莫爾材料中的磁性本質(zhì)上是流動(dòng)的。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，魔角扭曲石墨烯可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，而菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了‘半金屬’和‘四分之一金屬’”。于永強(qiáng)進(jìn)一步解釋說(shuō)，這是由于電子在磁場(chǎng)下會(huì)轉(zhuǎn)換成量子態(tài)，材料的電阻率發(fā)生振蕩，當(dāng)量子振蕩具有四倍、兩倍或一倍的簡(jiǎn)并性時(shí)，就分別對(duì)應(yīng)著正常金屬、“半金屬”，以及“四分之一金屬”。(科技日?qǐng)?bào)記者 吳長(zhǎng)鋒)

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