eurekalert.org网站7月17日报道，美国能源部劳伦斯?伯克利国家实验室(LBNL)的研究人员开发了一种新型石墨烯装置，虽然其厚度比人类头发直径还小，但却拥有非常奇特的性质:研究人员只需简单地“翻转开关”，石墨烯装置就能实现从超导体到绝缘体再到超导体的切换。相关研究成果刊登于《自然》杂志。论文第一作者、Feng Wang实验室博士后研究员Guorui Chen说:“通常情况下，如果科学家想研究电子在超导量子相和绝缘相中的相互作用，他们需要对不同的材料展开研究。采用我们的系统，科学家们就可以在一种材料中同时研究超导相和绝缘相了。”Wang是该项目的负责人，也是LBNL和加州大学伯克利分校教授。

 

　　这种特殊的石墨烯器件主要由原子厚度的石墨烯层和二维氮化硼层构成。两种二维材料形成的重复图案称为moiré超晶格。研究人员可以借助石墨烯器件探索高温超导现象背后复杂的原理。在此前的研究中，研究人员曾对由三层石墨烯制成的装置中的Mott绝缘体的特性进行了观测。Chen解释说，长期以来，科学家们一直认为通过在Mott绝缘体中添加更多的电子或正电荷，可以实现超导。

 

　　在过去的10年中，研究人员一直在研究如何能使不同的二维材料结合在一起。他们的研究首选是石墨烯:石墨烯因其良好的导热、导电性能而闻名于世。曾有研究人员发现，石墨烯形成的moiré超晶格具有非常奇特的物理特性，例如当石墨烯层以特定角度排列时，可以产生超导现象。Chen说:“因此，在这项研究中，我们有了这样的疑问:既然三层石墨烯系统可以是Mott绝缘体，那么它也可能是超导体吗?”

 

　　Chen的团队与斯坦福大学的David Goldhaber和复旦大学的yubo Zhang等合作，利用稀释制冷机为石墨烯/氮化硼器件制造了40毫开尔文的低温环境。研究人员预计在这一温度附近，材料有可能出现Mott绝缘体超导性。当设备冷却至4开尔文时，研究人员在设备的顶部和底部的栅极上施加了电压。正如他们所料，在高垂直电场作用下，石墨烯/氮化硼装置的每个单元都会具有一个电子。电子稳定地停留在单元格内，形成Mott绝缘体。随后，研究人员提高了电压值，他们惊喜地发现电子已经不再稳定了:电子开始在单元格间自由穿梭。换句话讲，器件已经从Mott绝缘体切换到了超导体。Chen解释说，氮化硼moiré超晶格在某种程度上增强了电子间的相互作用，这种相互作用是在施加电压时发生的。此时的绝缘-超导特性是可逆的--当电压降低时，设备又会切换回绝缘态。

 

　　石墨烯/氮化硼设备将为科学家们提供微型的多功能“实验室”，使他们对“精致”的原子间/电子间相互作用有更深刻的认识。量子计算机和Mott绝缘体新材料可能都会因此受益。Chen说:“这个结果让我们非常兴奋。石墨烯/氮化硼装置的表现超乎我们的想象。它几乎可以用于研究任何东西--不论是单个粒子还是超导性。这是我所了解到的最好的研究物理学新理论的系统。”