研究人員通過施加電壓將石墨烯薄片變成絕緣體或超導體

蘇黎世聯邦理工學院的研究人員已經成功地將特別準備的石墨烯薄片通過施加電壓變成絕緣體或超導體。 這項技術甚至可以在局部發揮作用，這意味着在同一個石墨烯薄片上，可以同時實現完全不同的物理特性。

現代電子元件的生產需要具有非常不同性質的材料。例如，有隔離器，它不導電，而超導體可以無損耗地輸送電流。為了獲得一個部件的特定功能，通常需要將幾種這樣的材料連接在一起。這通常是不容易的，特別是在處理當今廣泛使用的納米結構時。

由Klaus Ensslin和Thomas Ihn領導的蘇黎世聯邦理工學院固態物理實驗室的一個研究小組現在已經成功地使一種材料交替表現為絕緣體或超導體，甚至在同一材料的不同位置同時表現為絕緣體和超導體，只需施加電壓即可。他們成果已經發表在科學雜誌《自然-納米技術》上。這項工作得到了國家科研能力中心QSIT（量子科學與技術）的支持。

恩斯林和他的同事們使用的材料有一個有點累贅的名字：“魔角扭曲的雙層石墨烯”。事實上，這個名字隱藏着相當簡單和眾所周知的東西，即碳，但是以一種特殊的形式扭曲。這種材料的起點是石墨烯片，這是隻有一個原子厚的碳層。研究人員將這些層中的兩層放在彼此的頂部，使它們的晶軸不平行，而是形成一個正好為1.06度的 “神奇角度”。“這相當棘手，而且還需要在生產過程中準確控制片狀物的温度。因此，它經常出錯，然而，在百分之二十的嘗試中，它是有效的，石墨烯片的原子晶格會產生所謂的摩爾紋圖案，其中材料的電子行為與普通石墨烯不同。

在魔角石墨烯薄片的頂部，研究人員附加了幾個額外的電極，他們可以用這些電極對材料施加電壓。當他們把所有東西冷卻到絕對零度以上的幾百分之一時，一些非凡的事情發生了。根據所施加的電壓，石墨烯薄片以兩種完全相反的方式表現出來：要麼作為超導體，要麼作為絕緣體。這種可切換的超導性已於2018年在美國麻省理工學院（MIT）得到證明。即使在今天，全世界也只有少數幾個小組能夠生產這種樣品。

恩斯林和他的同事們現在又向前邁進了一步。通過對各個電極施加不同的電壓，他們把魔角石墨烯在一個地方變成了絕緣體，但在一邊的幾百納米處卻變成了超導體。研究人員首先試圖實現一個約瑟夫森結，在這種結中，兩個超導體被一個薄如蟬翼的絕緣層隔開。這樣一來，電流就不能直接在兩個超導體之間流動，而是要通過絕緣體進行量子力學隧道。這反過來又導致接觸的電導率以一種特有的方式隨電流變化，這取決於使用的是直流電還是交流電。

ETH的研究人員通過使用施加在三個電極上的不同電壓，成功地在石墨烯薄片內部產生了一個以神奇角度扭曲的約瑟夫森結，並且還測量了其特性。一個有趣的方面是，在電極的幫助下，石墨烯片不僅可以變成絕緣體和超導體，還可以變成磁體或所謂的拓撲絕緣體，其中電流只能沿着材料的邊緣向一個方向流動。這可以被利用來在一個設備中實現不同種類的量子比特。