圖1.在二氧化硅/硅片上的石墨烯器件的光學圖像。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家們發(fā)掘了石墨烯作為一種可電調諧超導體、絕緣體和磁性器件的潛在才能,以推動量子信息科學的發(fā)展。
自從石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)以來,科學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系的教授,加州大學伯克利分校的物理學教授王峰帶領的一組研究人員開發(fā)了一種多任務石墨烯器件,該器件可以從有效導電的超導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,研究人員已經利用石墨烯系統(tǒng)的特性來同時兼顧超導、絕緣和一種稱為鐵磁性的磁性,而不僅僅是兩種性質。多任務處理設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)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、絕緣和磁性的材料非常罕見。大多數人認為石墨烯很難產生磁性,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
石墨烯在電子領域有很大的潛力。其原子薄的結構,加上其強大的電子和導熱性,可以在下一代電子和存儲設備的開發(fā)中提供獨特的優(yōu)勢。
問題是,如今用于電子產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。當鐵磁材料被用于在計算機硬盤上存儲數據時,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說明
他們設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的電子沿同一方向旋轉,就像微型汽車在軌道上賽車一樣。這產生了強大的動力,將石墨烯裝置轉化為鐵磁系統(tǒng)。
更多的測量結果揭示了一組驚人的新特性:石墨烯系統(tǒng)內部不僅具有磁性,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電邊,而且還有兩條導電邊,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-電子相互作用的結果。
科學家們一直在研究一種被稱為拓撲的領域,即研究物質的奇異狀態(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,數據存儲在量子位上。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性,現(xiàn)在又從拓撲物理到研究二維材料中物質的量子相,”陳說。“令人興奮的是,我們現(xiàn)在可以在一個只有百萬分之一毫米厚的微型設備中探索新的物理學?!?/span>
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原理。
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