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“魔角”三明治石墨烯诞生,未来有望应用于量子计算

2018年,物理学世界曾一度因一项发现而“燃起了熊熊烈火”,即当两片石墨烯以“魔法角度”彼此堆叠时,层状结构会变形为非常规的超导体,从而允许电流通过而不会产生电阻或能量浪费。

近期,哈佛大学的科学家们对这个超导结构进行了进一步的扩展,增加了第三层,并将其以新角度扭曲。这为石墨烯超导技术的持续发展打开了大门,而且这种新的三层结构具有比其双层结构更坚固的超导性。

这项研究结果已于近日发表在了《科学》杂志上的一篇新论文中,未来这将有助于开发能够在更高甚至接近室温下工作的超导体。这些超导体被认为是凝聚态物理学的圣杯,因为它们将带来许多领域的巨大技术革命,包括电力传输、运输和量子计算。今天的大多数超导体,包括双层石墨烯结构,都只能在超低温下工作。

该研究报告的主要作者之一、哈佛大学金必立(Philip Kim)研究所博士后研究员Andrew Zimmerman表示,“扭曲石墨烯中的超导性为物理学家提供了一个实验上可控、理论上可访问的模型系统,他们可以利用该系统的特性来破解高温超导性的秘密。”

金必立是旅美韩国凝聚态物理学家,以对碳纳米管和石墨烯的研究知名。

石墨烯是一层单原子厚度的碳原子,其强度是钢的200倍,但却极具柔韧性,比纸更轻。它几乎一直被认为是热和电流的良导体,但众所周知它很难处理。继2018年科学家发现“魔角”双层结构后,关于这方面的研究就从未停歇。

哈佛大学的科学家们此次报告称,他们成功地将三层石墨烯堆叠起来,然后以“魔角”扭动它们,产生了一种新的“三明治”结构。然后,研究小组将电极连接到结构的两端,并通过电流,同时测量材料中损失或散发的能量。

研究人员表示,“在该过程中并未看到有能量消散,这意味着它是超导体”。这种结构不仅具有超导性,而且比许多双层堆叠石墨烯更坚固,温度也更高。其中一个机制也让理论家们非常兴奋,即“三明治”超导体是由于强电子间的相互作用而不是弱电子。如果这是真的,这不仅有助于打开高温超导的道路,而且未来有望应用于量子计算。

此外,在研究过程中,科学家们发现可以通过两种方式来控制调整这个新三层结构的超导水平。首先,借鉴曾经的双层设计,研究人员可以通过施加外部栅极电压来改变流过材料的电子数量,从而调节其超导性。当他们上下拨动栅极电压时,他们测量了材料停止耗散能量并变得超导的临界温度。

另外,该团队还发现了控制材料超导性的第二种方法,这在双层石墨烯和其他扭曲结构中是不可能的。通过使用附加电极,研究人员可以施加电场来改变结构三层之间的电子分布,而无需改变结构的整体电子密度。