“值得注意的是,他們發現同位旋順序只是微弱的擾動,每當在半或四分之一超晶格帶填充出現流動的半或四分之一金屬態時,莫爾勢能催化拓撲非平凡帶隙態的形成。”于永強表示,論文的研究結果表明,菱形石墨烯是控制良好的多體理論測試的理想平臺,并揭示了莫爾材料中的磁性本質上是流動的。

“簡單來說,魔角扭曲石墨烯可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變,而菱面三層石墨烯中發現了‘半金屬’和‘四分之一金屬’”。于永強進一步解釋說,這是由于電子在磁場下會轉換成量子態,材料的電阻率發生振蕩,當量子振蕩具有四倍、兩倍或一倍的簡并性時,就分別對應著正常金屬、“半金屬”,以及“四分之一金屬”。

于永強強調,要觀察到魔角扭曲石墨烯超導現象,首先需要獲得扭曲角度約1.1 度的莫爾超晶格體系,在低溫條件下(約為1.7K),然后可通過門電壓調控技術等調控其載流子濃度,實現超導特性。

晶體菱面三層石墨烯更具超導性

2019年3月5日,頂級期刊《自然》連發兩篇文章,報道了石墨烯領域的重大發現:當兩層平行石墨烯堆成約1.1度的微妙角度時,就會產生神奇的超導效應,為超導體的實際應用打開了新世界的大門。

“鐵磁性在過渡金屬化合物中最常見,其中電子占據高度局部化的 d 軌道。然而,鐵磁有序也可能出現在低密度二維體系電子系統。”于永強告訴記者,此次論文中研究者展示了菱面體三層石墨烯中的門調諧范霍夫奇點,將電子系統的自發鐵磁極化驅動為一種或多種自旋(Spin)電子和谷(Valley)電子特征。

石墨烯是由一層碳原子組成六邊形結構的二維原子晶體,由于石墨烯優異的光學、電學、力學特性,在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景,被認為是一種革命性的材料。

通常認為,半金屬在化學元素周期表中處于金屬向非金屬過渡的位置,物理性質和化學性質介于金屬和非金屬之間。

 

“魔角扭曲石墨烯是將第一層石墨烯放置在第二層石墨烯上,然后將第一層石墨烯旋轉大約1.1度的角度。簡單來說就是把一塊石墨烯斷成兩塊,把其中一塊相對于另一塊轉一個角度,然后再把兩塊疊起來。”于永強告訴記者,魔角扭曲石墨烯可以在原子尺度獲得莫爾超晶格,這種物理結構會產生能量狀態,阻止電子分開,迫使它們相互作用?;诋斍暗某瑢Ю碚?,超導行為被認為是源自電子之間的強相互作用。

超導體早已經廣泛應用在日常生活的方方面面。例如,它們是核磁共振成像儀器和磁懸浮列車中的必要組件;還可用于制造傳輸和儲存能量長達數百萬年的電力線路及裝置等等。

石墨烯的新技能

2021年9月1日,這種菱面體三層石墨烯在短短7個月的時間,再次在《自然》上背靠背連發兩篇文章。這兩篇論文的第一作者,正是曹原在中國科學技術大學少年班的師弟周昊欣。

而這兩篇《自然》論文的第一作者,就是來自中國科學技術大學少年班的曹原。曹原也因此登上了2019年《自然》雜志的年度十大科學人物,并位列榜首!

“在疊套過程中,可將層間扭曲一定角度。通過改變層間扭曲角度,可以改變套疊石墨烯體系的微觀電子結構,從而改變體系的物理性能。”于永強表示,石墨烯本身不具有超導特性,但石墨烯獨特的能帶結構,高載流子遷移率以及可通過人工層狀原子堆垛方法,實現扭曲角度而調控套疊石墨烯體系的微觀電子結構等特性,使其具備實現超導潛能。

“此次報道的兩篇論文當中,第一篇論文中,研究團隊在菱面三層石墨烯中發現超導性,在亞開爾文溫度下表現為低電阻率或消失電阻率。第二篇論文,研究團隊在菱面三層石墨烯中發現‘半金屬’”和‘四分之一金屬’。”合肥工業大學微電子學院電子科學系副主任于永強副教授表示,此次晶體菱面三層石墨烯超導現象的發現,為石墨烯超導的研究帶來更多的可能性。

2021年9月1日,美國加州大學圣巴巴拉分校Andrea F. Young課題組連續在《自然》雜志背靠背發表兩篇論文,報道了他們在菱面三層石墨烯發現超導的最新突破。值得一提的是,兩篇論文的第一作者都是中國科學技術大學少年班的留學生周昊欣。

而超導石墨烯的出現開辟了更多的可能性。例如可以用于超高速計算機中的新型超導量子設備。