扭曲石墨烯可以为新一代超导电子提供动力
2018年，麻省理工学院（MIT）的一组研究人员完成了令人眼花materials乱的材料科学魔术技巧。他们堆叠了两张微观的石墨烯卡片（一张碳原子厚的碳片），并稍微扭曲了一张。施加电场会使电池堆从导体变成绝缘体，然后突然变成超导体：一种无摩擦地导电的材料。数十个实验室跳入了新生的“ twistronics”领域，希望能构想出新颖的电子设备，而又不会将化学上不同的材料融合在一起。
包括开拓性的MIT小组在内的两个小组正在通过将扭曲的石墨烯转变为工作装置（包括许多量子计算机中使用的超导开关）来履行这一诺言。这些研究标志着该材料迈出了关键的一步，该材料已经发展成为一种能够捕获和控制单个电子和光子的基础科学工具。哥伦比亚大学的凝聚态物理学家科里·迪恩说，现在，它已显示出有望成为新电子设备的基础。他的实验室是在2018年宣布这一消息后最早确认这种材料的超导特性的实验室之一。他说：“这个平台可以用作通用材料的想法并不是幻想。” “这已成为事实。”
扭曲的石墨烯具有类似变色龙的本质，其秘密在于所谓的“魔角”。当研究人员将薄片精确地旋转1.1°时，扭曲会产生大规模的“莫尔纹”图案-原子级的等效于两个网格并置时出现的较暗带。通过将成千上万的原子聚集在一起，莫尔像超级原子一样可以使它们一致地起作用。这种集体行为使适度数量的电子（通过电场束缚到正确的位置）可以从绝缘子到导体再到超导体，从根本上改变材料的行为。与超级电池的相互作用还迫使电子减速并感觉到彼此的存在，这使它们更容易配对，这是超导性的要求。
现在，研究人员已经表明，他们可以通过拍打金属“门”的图案来将所需的特性转移到薄板的小区域，这些金属“门”使不同的区域受到变化的电场的作用。两组都建立了称为约瑟夫森结的装置，其中两个超导体在非超导材料的薄层侧面，从而形成了一个用于控制超导流动的阀。 “一旦证明了世界是开放的，”苏黎世联邦理工学院的物理学家，其中一项研究的合著者克劳斯·恩斯林说，该研究于10月30日发布在预印本服务器arXiv上。常规的约瑟夫逊结是超导电子设备的主力，用于监测大脑中电活动的磁性设备和超灵敏磁力计中。
实验室组长Pablo Jarillo-Herrero说，“作为概念的证明，麻省理工学院的研究小组将其约瑟夫森结电转化为其他亚显微小工具，以证明它的用途。”他的研究小组于11月4日将结果发布到了arXiv。通过将碳调整为导体-绝缘体-超导体配置，他们能够测量电子对被紧密结合在一起的程度-这是超导电性本质的早期线索，以及它与其他材料的比较方式。该小组还建造了一个晶体管，可以控制单电子的运动。研究人员已经研究了这种单电子开关，以缩小电路并减少其对能量的需求。
魔角石墨烯器件不太可能在短期内挑战消费类硅电子产品。石墨烯本身很容易制造：可以用透明胶带将其薄片从石墨块上剥离下来。但是，在超导之前，必须将设备冷却至几乎为零。保持精确的扭曲是很尴尬的，因为床单容易起皱，破坏了魔角。可靠地创建平滑扭曲的板材（甚至只有1微米或2微米）仍然是一个挑战，而且研究人员还没有找到通往批量生产的明确道路。 Jarillo-Herrero说：“如果您想制造真正的复杂设备，则需要创建成千上万的[石墨烯基板]，而该技术不存在。”
尽管如此，许多研究人员对探索电子设备而不必担心化学限制的前景感到兴奋。材料科学家通常必须找到具有正确原子特性的物质并将其融合在一起。当混合完成后，不同的元素可能无法以所需的方式啮合。
相反，在魔角石墨烯中，所有原子都是碳，消除了不同材料之间的混乱边界。科学家们只需按一下按钮就可以改变任何给定补丁的电子行为。恩斯林说，这些优势赋予了对材料前所未有的控制权。 “现在，您可以像弹钢琴一样弹奏。”
这种控制可以简化量子计算机。由Google和IBM开发的产品依赖于Josephson结，这些结在制造过程中是固定的。要操作挑剔的量子位，必须以繁琐的方式共同操纵这些结。但是，使用扭曲的石墨烯，量子位可能来自更小且更易于控制的单个结。
哈佛大学物理学家，雷声公司BBN Technologies量子计算团队成员Kin Chung Fong对这种材料的另一种潜在用途充满热情。 4月，他和他的同事提出了一种扭曲的石墨烯设备，该设备可以检测单个红外光子光子。这对于天文学家探测早期宇宙微弱的光芒可能是有用的。他们的电流传感器只能在光谱的可见或近可见部分发现孤立的光子。
旋拧技术领域仍处于起步阶段，将石墨烯的微观斑点扭曲到魔术位置的繁琐过程仍然需要技巧，或者至少需要精巧的实验室工作。但是，无论扭曲石墨烯是否进入工业电子领域，它已经在深刻地改变材料科学的世界，新不伦瑞克省罗格斯大学凝聚态物理学家伊娃·安德烈（Eva Andrei）说，他的实验室是最早发现扭曲石墨烯独特之处的实验室之一。属性。
她说：“这是一个真正的新时代。” “这是一种无需化学即可制造材料的全新方法。”
