超导电性在魔角石墨烯中开关

麻省理工学院的物理学家发现了一种新方法,通过使用短电脉冲,用魔角石墨烯开启和关闭超导性。

通过詹妮弗·楚 2023年2月7日
提供:麻省理工学院

石墨烯的见解

  • 麻省理工学院(MIT)的物理学家们已经找到了一种方法,可以用电脉冲打开和关闭魔角石墨烯中的超导性,其工作方式与电灯开关相同。
  • 麻省理工学院的研究人员认为,超导开关是研究人员在开发更快、更小、更节能电子产品材料时可以考虑的另一种工具。

经过一些精心的扭曲和堆叠,麻省理工学院的物理学家们揭示了“魔角”石墨烯的一种新的奇异性质:可以用电脉冲打开和关闭的超导性,就像电灯开关一样。

这一发现可能会导致超快、节能的超导晶体管用于神经形态设备——电子设计的运作方式类似于人类大脑中神经元的快速开关。

魔角石墨烯指的是一种非常特殊的石墨烯堆叠方式——石墨烯是一种由碳原子组成的原子薄材料,它们以类似铁丝网的六角形模式连接在一起。当一张石墨烯以精确的“神奇”角度堆叠在另一张石墨烯上时,扭曲的结构会产生略微偏移的“moiré”图案,或超晶格,能够支持许多令人惊讶的电子行为。

2018年,麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和他的团队首次演示了魔角扭曲双层石墨烯。他们表明,当施加特定的连续电场时,这种新的双层结构可以表现为绝缘体,就像木头一样。当他们提高电场时,绝缘体突然变成了超导体,允许电子流动,无摩擦。

这一发现是“扭电子学”领域的一个分水岭,该领域探索了某些电子特性是如何从二维材料的扭曲和分层中产生的。包括Jarillo-Herrero在内的研究人员继续揭示了魔角石墨烯的惊人特性,包括在不同电子状态之间切换材料的各种方法。到目前为止,这种“开关”的作用更像调光器,因为研究人员必须持续施加电场或磁场来开启超导,并保持这种状态。

现在,Jarillo-Herrero和他的团队已经证明,魔术角石墨烯中的超导性可以通过一个短脉冲而不是持续的电场来开启并保持。他们发现,关键在于扭转和堆叠的结合。

在一个出现在自然纳米技术,该团队报告说,通过在两个偏移的氮化硼层(一种二维绝缘材料)之间堆叠魔法角石墨烯,三明治结构的独特排列使研究人员能够通过短电脉冲打开和关闭石墨烯的超导性。

“对于绝大多数材料来说,如果你去掉电场,呜呜,电态就消失了,”麻省理工学院塞西尔和艾达格林物理学教授贾利略-埃雷罗说。“这是第一次制造出一种可以突然用电开关的超导材料。这可能会为新一代扭曲石墨烯超导电子产品铺平道路。”

他在麻省理工学院的合著者是第一作者Dahlia Klein博士21,研究生夏立乔,前博士后David MacNeill,以及日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

麻省理工学院的物理学家发现了一种新方法,可以在魔角石墨烯中开启和关闭超导性。该图显示了一个中间有两层石墨烯的设备(深灰色和插图)。石墨烯层被夹在氮化硼层之间(蓝色和紫色)。每一层的角度和排列方式使研究人员能够用短电脉冲打开和关闭石墨烯中的超导性。提供:麻省理工学院

麻省理工学院的物理学家发现了一种新方法,可以在魔角石墨烯中开启和关闭超导性。该图显示了一个中间有两层石墨烯的设备(深灰色和插图)。石墨烯层被夹在氮化硼层之间(蓝色和紫色)。每一层的角度和排列方式使研究人员能够用短电脉冲打开和关闭石墨烯中的超导性。提供:麻省理工学院

翻转超导开关

2019年,斯坦福大学的一个团队发现,魔角石墨烯可以被强迫进入铁磁性状态。铁磁体是即使在没有外部施加磁场的情况下也能保持其磁性的材料。

研究人员发现,魔角石墨烯可以以一种可以调节的方式表现出铁磁性。当石墨烯薄片在两层氮化硼之间分层时,石墨烯的晶体结构与其中一层氮化硼层对齐。这种布局类似于奶酪三明治,上面的面包片和奶酪的方向是对齐的,但是下面的面包片相对于上面的面包片以随机的角度旋转。

“我们试图通过对齐两片切片来获得更强的磁铁,”贾里洛-埃雷罗说。“相反,我们发现了一些完全不同的东西。”

在他们目前的研究中,研究小组精心制作了一个夹心材料。三明治的“奶酪”由神奇角度的石墨烯组成——两片石墨烯片,上面的石墨烯片相对于下面的石墨烯片以1.1度的“神奇”角度略微旋转。在这个结构之上,他们放置了一层氮化硼,与顶部的石墨烯薄片完全对齐。最后,他们在整个结构下放置了第二层氮化硼,并将其相对于顶层氮化硼偏移了30度。

然后,研究小组在施加栅极电压时测量了石墨烯层的电阻。和其他人一样,他们发现,扭曲的双层石墨烯转换了电子状态,在绝缘、导电和超导状态之间变化在特定的已知电压下。

该小组没有预料到的是,一旦电压被移除,每个电子状态都将持续存在,而不是立即消失——这种性质被称为双稳定性。他们发现,在特定的电压下,石墨烯层会变成超导体,即使研究人员去掉了这个电压,石墨烯层也会保持超导性。

这种双稳态效应表明,超导性可以通过短电脉冲而不是连续的电场来开启和关闭,类似于轻敲电灯开关。目前还不清楚是什么使这种可切换的超导性得以实现,但研究人员怀疑这与扭曲的石墨烯与两个氮化硼层的特殊排列有关,这使得系统具有类似铁电的响应。(铁电材料的电性能表现为双稳定性。)

克莱因说:“通过关注堆叠,你可以为日益复杂的魔角超导器件增加另一个调谐旋钮。”

目前,该团队将新型超导开关视为研究人员在开发更快、更小、更节能电子设备的材料时可以考虑的另一种工具。

贾里洛-埃雷罗说:“人们正试图制造电子设备,以一种受大脑启发的方式进行计算。”“在大脑中,我们有神经元,超过一定的阈值,它们就会放电。类似地,我们现在已经找到了一种方法,使魔角石墨烯突然转换超导性,超过一定的阈值。这是实现神经形态计算的一个关键特性。”

-由Chris Vavra编辑,网页内容经理,控制工程, CFE媒体与技术,cvavra@cfemedia.com


作者简介:麻省理工学院新闻办公室