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《Nature》重磅！西班牙研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)魔角石墨烯更多電子態(tài)
文章來(lái)源：未知 更新時(shí)間：2019-11-28 14:47:48
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麻省理工學(xué)院的Pablo Jarillo-Herrero和他的同事在2018年展示了魔角雙層石墨烯中的超導(dǎo)性（參見(jiàn)《今日物理學(xué)》，2018年5月，第15頁(yè)）。石墨烯的單層是二維的碳原子片，它本身不是超導(dǎo)的。但是，相對(duì)于彼此成特定角度堆疊（約1.1°）的兩個(gè)單層石墨烯片（圖中的藍(lán)色和黑色）在1.7 K溫度下時(shí)展示出了超導(dǎo)的特性，這個(gè)角度被人們稱(chēng)為“魔角”。魔術(shù)在于準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)或莫爾網(wǎng)格，其形成的長(zhǎng)度尺度大于其下方的石墨烯網(wǎng)格。如果溫度足夠低，則可以通過(guò)施加電壓來(lái)改變石墨烯片之間的角度或電荷載流子密度，從而調(diào)控超導(dǎo)狀態(tài)非超導(dǎo)狀態(tài)。除了可調(diào)性之外，魔角石墨烯的超導(dǎo)性很有趣，因?yàn)樗臏囟扰c載流子密度的關(guān)系類(lèi)似于高Tc銅酸鹽的溫度。
現(xiàn)在，西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所的Dmitri Efetov和他的同事復(fù)制了Jarillo-Herrero的結(jié)果，并在魔角石墨烯中發(fā)現(xiàn)了更多的狀態(tài)。通過(guò)高質(zhì)量的石墨烯制備設(shè)備，Efetov的團(tuán)隊(duì)可以更準(zhǔn)確地測(cè)量電子相位并解決以前隱藏的電子狀態(tài)。
為了實(shí)現(xiàn)魔角，研究人員使用了一種公認(rèn)的技術(shù)：將一張石墨烯撕成兩半。然后，他們將其中一片旋轉(zhuǎn)超過(guò)魔角約1.2°，然后將其堆疊在另一片之上。在大多數(shù)電子設(shè)備中，最后一步是退火以清潔樣品并去除兩層之間的任何氣泡。但是在魔角石墨烯中，各層之間的錯(cuò)位角度很小，加熱樣品會(huì)使石墨烯層重新對(duì)齊。Efetov和同事沒(méi)有進(jìn)行退火處理，而是從一個(gè)邊緣開(kāi)始逐漸將頂層向下滾動(dòng)，而不是將第二層直接放到第一層上。該方法將形成的氣泡擠出。結(jié)果是，相對(duì)角度在10 µm器件上僅變化0.02°，這是魔角石墨烯的記錄。整個(gè)制作過(guò)程很棘手。在三個(gè)月的嘗試中，這30臺(tái)設(shè)備中只有2臺(tái)成功了。
該小組根據(jù)所施加的電壓是負(fù)電壓還是正電壓來(lái)測(cè)量各種電子密度或空穴密度下的電阻。他們看到了與Jarillo-Herrero相同的超導(dǎo)狀態(tài)，當(dāng)時(shí)魔角石墨烯的空穴密度約為2×1012 cm-2，并且在電子和空穴密度低至0.5×1012cm-2時(shí)又出現(xiàn)了三個(gè)新的超導(dǎo)狀態(tài)。對(duì)于最初的超導(dǎo)狀態(tài)，Efetov和他的同事發(fā)現(xiàn)比以前報(bào)道的要高3 K的轉(zhuǎn)變溫度-可能是由于樣品質(zhì)量提高了。三個(gè)新的超導(dǎo)狀態(tài)的過(guò)渡溫度要低得多，達(dá)到數(shù)百毫開(kāi)爾文。
在超導(dǎo)狀態(tài)之間的電荷載流子密度下，魔角石墨烯顯示出來(lái)自相關(guān)電子或空穴狀態(tài)的電阻峰，這是通過(guò)集體而非單個(gè)電荷載流子行為來(lái)描述的。其中三個(gè)相關(guān)狀態(tài)是絕緣的，三個(gè)似乎是半金屬的。兩個(gè)非絕緣狀態(tài)在拓?fù)渖弦彩瞧椒驳?，其Chern數(shù)為1和2。（有關(guān)Chern數(shù)的更多信息，請(qǐng)參閱Joseph Avron，Daniel Osadchy和Ruedi Seiler的文章，《今日物理學(xué)》，2003年8月，第38頁(yè)。）當(dāng)每個(gè)摩爾單元格（圖中較大的六邊形）中存在整數(shù)個(gè)電子或空穴時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種狀態(tài)。
態(tài)是電子與電子相互作用的表現(xiàn)，物質(zhì)的其他量子相也包括某些類(lèi)型的超導(dǎo)性。但是，石墨烯超導(dǎo)性的機(jī)制仍然未知。但是，現(xiàn)在，理論家有大量數(shù)據(jù)可以使用。（X.Lu等人，Nature 574,653,2019;縮略圖來(lái)源：ICFO / F.Vialla。） |
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