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復(fù)旦大學(xué)等?《Nature》重磅:石墨烯超導(dǎo)再獲得突破!

   2019-07-19 材料科學(xué)前沿1280
核心提示:近日,《自然》連刊兩文報道石墨烯超導(dǎo)重大發(fā)現(xiàn)。年僅21歲麻省理工學(xué)院博士生曹原發(fā)現(xiàn)了石墨烯的魔角。當(dāng)溫度冷卻到1.7K時,當(dāng)兩
日,《自然》連刊兩文報道石墨烯超導(dǎo)重大發(fā)現(xiàn)。年僅21歲麻省理工學(xué)院博士生曹原發(fā)現(xiàn)了石墨烯的“魔角”。當(dāng)溫度冷卻到1.7K時,當(dāng)兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度,就會產(chǎn)生神奇的超導(dǎo)效應(yīng)。前人的研究集中在氧化銅材料的超導(dǎo)電性,氧化銅材料的超導(dǎo)電性往往需要在高溫下才得以顯現(xiàn)。曹原等僅僅通過簡單的雙層石墨烯碳材料,提供了一個復(fù)雜超導(dǎo)物理的探索平臺。

哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家Cory Dean指出,雙層石墨烯只有在兩個石墨烯層的原子晶格相對于彼此扭轉(zhuǎn)了1.1°的“魔角”時才具有超導(dǎo) -在已知的最薄材料上進行這項操作是非常困難的。“如果稍有偏離就行不通,”近日,斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家David Goldhaber-Gordon加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家Wang Feng 和復(fù)旦大學(xué)Zhang Yuanbo團隊更容易獲得的三層石墨烯片中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性的跡象,相比于雙層石墨烯超導(dǎo),三層石墨烯不必發(fā)生扭曲,每層原子晶格的上層和下層對齊,這在生產(chǎn)多層石墨烯時自然而然的形成這樣的結(jié)構(gòu)。借助三層石墨烯,有望幫助研究人員更快了解銅氧化物中的超導(dǎo)性。相關(guān)研究以“Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré superlattice”為題發(fā)表在《Nature》上,第一作者為Chen Guorui。

該文采用了現(xiàn)有標準的方法來剝離石墨烯薄片。首先,將一塊透明膠帶粘在一大塊石墨上 - 大多數(shù)鉛筆中的成分- 然后對此進行剝離。通過撕膠帶的方法(機械剝離法)。Wang Feng 團隊之前開創(chuàng)了一種技術(shù),發(fā)現(xiàn)三層石墨烯中獨特的光學(xué)特征。

機械剝離法制備石墨烯 

然后,該團隊將這些三層薄片作為制造電氣設(shè)備的起始材料。它們將三層薄片夾在氮化硼層之間,防止石墨烯被污染的同時防止其發(fā)生彎曲。在一些地方,氮化硼層中的原子與石墨烯層中的碳原子精確對齊,但是在幾納米之外它們是偏移的。在大約10納米之后,層中的原子再次對齊,產(chǎn)生“莫爾”重復(fù)圖案,其在扭曲的雙層石墨烯中也是明顯的。每個重復(fù)的莫爾晶胞除了材料本身的電子外,可以容納多達四個額外的電子,從而改變材料的導(dǎo)電性。

接下來,研究人員在薄片頂部構(gòu)筑金屬圖案,用“柵極”構(gòu)建晶體管,控制在材料中添加電子。通過操縱柵極上的電場,研究人員能夠精確控制每個重復(fù)莫爾晶胞中存在電子數(shù)量。當(dāng)他們向每個晶胞添加三個電子并將溫度降至低于2K時,他們注意到電阻急劇下降,這是超導(dǎo)性的一個標志 。他們還注意到,當(dāng)他們對樣品外部施加磁場時,接近零的電阻消失了,這是超導(dǎo)的另一個跡象。Goldhaber-Gordon補充說,這些信號還不確定,目前仍然存在兩個問題:首先,電阻沒有完全降至零,這可能是由于石墨烯薄片中的雜質(zhì)導(dǎo)致的;其次,它可能無法實現(xiàn)大面積超導(dǎo)。

盡管如此,Goldhaber-Gordon指出,三個額外電子的表觀超導(dǎo)性與傳統(tǒng)的高溫超導(dǎo)體(1986年發(fā)現(xiàn)的銅基材料)相似。這提高了三層石墨烯作為超導(dǎo)材料的希望。一個很好的模型系統(tǒng),用于解決這個長期存在的謎團。他說,三層石墨烯提供了是一個清晰的研究系統(tǒng),它提供了一種探索復(fù)雜物理學(xué)研究的簡單方法。” 

 
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