圖1.在二氧化硅/硅片上的石墨烯器件的光學(xué)圖像。發(fā)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(xué)家們發(fā)掘了石墨烯作為一種可電調(diào)諧超導(dǎo)體、絕緣體和磁性器件的潛在才能，以推動量子信息科學(xué)的發(fā)展。

自從石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)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(yōu)良導(dǎo)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(xué)系的教授，加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授王峰帶領(lǐng)的一組研究人員開發(fā)了一種多任務(wù)石墨烯器件，該器件可以從有效導(dǎo)電的超導(dǎo)體切換到可抵抗電流的絕緣體。

如今，正如《自然》雜志今天所報道的，研究人員已經(jīng)利用石墨烯系統(tǒng)的特性來同時兼顧超導(dǎo)、絕緣和一種稱為鐵磁性的磁性，而不僅僅是兩種性質(zhì)。多任務(wù)處理設(shè)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(shù))的研究。

圖2.納米制造過程中夾在氮化硼層之間的三層石墨烯材料的光學(xué)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(dǎo)、絕緣和磁性的材料非常罕見。大多數(shù)人認(rèn)為石墨烯很難產(chǎn)生磁性，因為它通常沒有磁性。我們的石墨烯系統(tǒng)是第一個將這三種特性結(jié)合在一個樣品中的系統(tǒng)。

用電來打開石墨烯的潛在電勢

石墨烯在電子領(lǐng)域有很大的潛力。其原子薄的結(jié)構(gòu)，加上其強大的電子和導(dǎo)熱性，可以在下一代電子和存儲設(shè)備的開發(fā)中提供獨特的優(yōu)勢。

問題是，如今用于電子產(chǎn)品的磁性材料是由鐵磁性金屬制成的，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(dāng)鐵磁材料被用于在計算機硬盤上存儲數(shù)據(jù)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制成的——它是由碳制成的。因此，科學(xué)家們想出了一個創(chuàng)造性的解決方案。

圖3.三層石墨烯/氮化硼云紋超晶格的電子和鐵磁性質(zhì)說明

他們設(shè)計了一個超薄的裝置，只有1納米的厚度，有三層原子厚度的石墨烯。當(dāng)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——形成一種重復(fù)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(nèi)的電子沿同一方向旋轉(zhuǎn)，就像微型汽車在軌道上賽車一樣。這產(chǎn)生了強大的動力，將石墨烯裝置轉(zhuǎn)化為鐵磁系統(tǒng)。

更多的測量結(jié)果揭示了一組驚人的新特性：石墨烯系統(tǒng)內(nèi)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云紋超晶格圖案。

更令人驚訝的是，來自麻省理工學(xué)院的合著者張亞輝通過計算發(fā)現(xiàn)，石墨烯器件不僅只有一條導(dǎo)電邊，而且還有兩條導(dǎo)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(jié)果。

科學(xué)家們一直在研究一種被稱為拓?fù)涞念I(lǐng)域，即研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)，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(shù)據(jù)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(tài)。

“我們的發(fā)現(xiàn)表明，石墨烯是研究不同物理的理想平臺，從單粒子物理到超導(dǎo)性，現(xiàn)在又從拓?fù)湮锢淼窖芯慷S材料中物質(zhì)的量子相，”陳說?！傲钊伺d奮的是，我們現(xiàn)在可以在一個只有百萬分之一毫米厚的微型設(shè)備中探索新的物理學(xué)。”

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后的力學(xué)原理。

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