石墨烯潛的量子潛力——同時具有超導、絕緣和磁性的神奇材料

圖1.在二氧化矽/矽片上的石墨烯器件的光學圖像。發光的金屬絲連接到金電極上進行電測量。

伯克利實驗室的科學家們發掘了石墨烯作為一種可電調諧超導體、絕緣體和磁性器件的潛在才能，以推動量子信息科學的發展。

自從石墨烯在2004年被發現以來，科學家們就一直在尋找將這種原子般薄的2D材料投入使用的方法。石墨烯比單鏈DNA還薄，但強度是鋼的200倍，是電和熱的優良導體，它可以符合任何形狀，從超薄的2D薄片到電子電路。

去年，由伯克利實驗室材料科學係的教授，加州大學伯克利分校的物理學教授王峰帶領的一組研究人員開發了一種多任務石墨烯器件，該器件可以從有效導電的超導體切換到可抵抗電流的絕緣體。

如今，正如《自然》雜誌今天所報道的，研究人員已經利用石墨烯係統的特性來同時兼顧超導、絕緣和一種稱為鐵磁性的磁性，而不僅僅是兩種性質。多任務處理設備可能會使新的物理實驗成為可能，比如對更快的新一代電子電路(如量子計算技術)的研究。

圖2.納米製造過程中夾在氮化硼層之間的三層石墨烯材料的光學圖像(左)，以及帶有金電極的三層石墨烯/氮化硼裝置(右)。

到目前為止，同時顯示超導、絕緣和磁性的材料非常罕見。大多數人認為石墨烯很難產生磁性，因為它通常沒有磁性。我們的石墨烯係統是第一個將這三種特性結合在一個樣品中的係統。

用電來打開石墨烯的潛在電勢

石墨烯在電子領域有很大的潛力。其原子薄的結構，加上其強大的電子和導熱性，可以在下一代電子和存儲設備的開發中提供獨特的優勢。

問題是，如今用於電子產品的磁性材料是由鐵磁性金屬製成的，如鐵或鈷合金。鐵磁性材料，像普通的條形磁鐵，有一個北極和一個南極。當鐵磁材料被用於在計算機硬盤上存儲數據時，這些磁極點向上或向下，代表0和1——稱為位。

然而，石墨烯不是由磁性金屬製成的——它是由碳製成的。因此，科學家們想出了一個創造性的解決方案。

圖3.三層石墨烯/氮化硼雲紋超晶格的電子和鐵磁性質說明

他們設計了一個超薄的裝置，隻有1納米的厚度，有三層原子厚度的石墨烯。當夾在二維氮化硼層之間時，石墨烯層——在研究中稱為三層石墨烯——形成一種重複的模式，稱為莫爾超晶格。

通過在石墨烯器件的門上施加電壓，來自電的力量刺激器件內的電子沿同一方向旋轉，就像微型汽車在軌道上賽車一樣。這產生了強大的動力，將石墨烯裝置轉化為鐵磁係統。

更多的測量結果揭示了一組驚人的新特性：石墨烯係統內部不僅具有磁性，而且具有絕緣性；盡管有磁性，它的外邊緣卻變成了沒有阻力的電流通道。研究人員說，這種特性是一類罕見的絕緣子，稱為Chern絕緣子。

圖4.雙門控三層石墨烯/氮化硼裝置原理圖。插圖顯示了三層石墨烯與底層硼氮化層之間的雲紋超晶格圖案。

更令人驚訝的是，來自麻省理工學院的合著者張亞輝通過計算發現，石墨烯器件不僅隻有一條導電邊，而且還有兩條導電邊，這使其成為第一個被觀察到的“高階Chern絕緣體”，這是三層石墨烯中強電子-電子相互作用的結果。

科學家們一直在研究一種被稱為拓撲的領域，即研究物質的奇異狀態，以尋找Chern絕緣體。Chern絕緣體為在量子計算機中操作信息提供了潛在的新方法，在量子計算機中，數據存儲在量子位上。量子位可以表示1、0，也可以表示同時為1和0的狀態。

“我們的發現表明，石墨烯是研究不同物理的理想平台，從單粒子物理到超導性，現在又從拓撲物理到研究二維材料中物質的量子相，”陳說。“令人興奮的是，我們現在可以在一個隻有百萬分之一毫米厚的微型設備中探索新的物理學。”

研究人員希望用他們的石墨烯裝置進行更多的實驗，以便更好地了解Chern絕緣體/磁鐵是如何形成的，以及其不同尋常的特性背後的力學原理。

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