作者特蕾莎·杜克，劳伦斯·伯克利国家实验室 石墨烯/氮化硼莫尔条纹；超晶格材料由夹在2D氮化硼(红色和蓝色)层之间的三层原子级薄(2D)石墨烯(灰色)组成，形成一种称为莫尔条纹的重复图案。超晶格
浅绿色圆圈表示超导性
信用:陈国瑞等
/伯克利实验室 美国大学的研究人员
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美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)已经开发出一种石墨烯装置，它比人类的头发还要细，但是具有特殊的深度特征
它很容易从传导电流而不损失任何能量的超导材料切换到阻止电流流动的绝缘体，然后再切换回超导体——只需简单地扳动开关
他们的发现发表在今天的《自然》杂志上
“通常，当有人想研究电子在超导量子相和绝缘相中如何相互作用时，他们需要研究不同的材料
利用我们的系统，你可以在一个地方同时研究超导相和绝缘相，”该研究的主要作者、汪锋实验室的博士后研究员陈国瑞说，他领导了这项研究
王，伯克利实验室材料科学部的科学家，也是加州大学伯克利分校的物理学教授
石墨烯器件由三层原子级薄(二维)石墨烯组成
当夹在二维氮化硼层之间时，它形成了一种叫做莫尔超晶格的重复图案
这种材料可以帮助其他科学家理解高温超导现象背后的复杂机制。在高温超导现象中，一种材料可以在高于预期的温度下无电阻地导电，尽管温度仍低于冰点数百度
在之前的一项研究中，研究人员报告了在由三层石墨烯制成的器件中观察莫特绝缘体的特性
莫特绝缘体是一种材料，尽管经典理论预测电导率，但它在零下数百度时会以某种方式停止导电
但陈解释说，人们长期以来一直认为莫特绝缘体可以通过增加更多的电子或正电荷而变成超导的
在过去的10年里，研究人员一直在研究结合不同二维材料的方法，通常从石墨烯开始——石墨烯是一种以高效导热和导电而闻名的材料
在这项工作中，其他研究人员发现，由石墨烯形成的云纹超晶格表现出奇异的物理性质，例如当各层以正确的角度排列时，就会产生超导性
“所以在这项研究中，我们问自己，‘如果我们的三层石墨烯系统是莫特绝缘体，它也可能是超导体吗？’”陈说道
通过光学显微镜看到的三层石墨烯/氮化硼异质结构器件的两个视图
金纳米制造的电触点显示为黄色；二氧化硅/硅衬底显示为棕色；氮化硼薄片显示为绿色
三层石墨烯器件被封装在两个氮化硼薄片之间
学分:陈国瑞/柏克莱实验室 打开通往物理新世界的大门 陈说，研究人员与斯坦福大学的大卫-戈登和国家加速器实验室的斯坦福材料与能源科学研究所以及复旦大学的张合作，使用了一种稀释冰箱，这种冰箱可以达到40毫瓦(或接近零下460华氏度)的极冷温度，将石墨烯/氮化硼器件冷却到研究人员预计在莫特绝缘体相附近出现超导性的温度
一旦器件达到4开尔文(零下452华氏度)的温度，研究人员就给器件的微小顶部和底部栅极施加一系列电压
正如他们所料，当他们对顶部和底部栅极施加高垂直电场时，一个电子填充了石墨烯/氮化硼器件的每个单元
这导致电子稳定并停留在原位，电子的这种“定位”将该器件变成了莫特绝缘体
然后，他们在栅极上施加更高的电压
令他们高兴的是，第二次读数表明电子不再稳定
相反，它们穿梭于不同的细胞之间，无损耗、无阻力地导电
换句话说，这个装置已经从莫特绝缘体阶段转换到超导体阶段
陈解释说，氮化硼的云纹超晶格在某种程度上增加了电子与电子的相互作用，这种相互作用是在器件上施加电压时发生的，这种效应会打开器件的超导相
它也是可逆的——当一个较低的电压施加到栅极时，该器件切换回绝缘状态
这种多任务设备为科学家提供了一个小型、多功能的游乐场，用于研究奇异的新型超导材料中原子和电子之间的微妙相互作用，这些材料有可能用于量子计算机——在量子位中存储和处理信息的计算机，量子位通常是电子或光子等亚原子粒子——以及新的莫特绝缘体材料，有朝一日可能使微电子学的微型二维莫特晶体管成为现实
“这个结果让我们非常兴奋
我们从来没有想到石墨烯/氮化硼器件会做得这么好，”陈说
“你可以用它研究几乎所有东西，从单个粒子到超导性
这是我所知道的研究新物理的最好的系统，”陈说
这项研究得到了材料量子相干新途径中心的支持，这是一个由伯克利实验室领导并由美国能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心
NPQC汇集了伯克利实验室、阿尔贡国家实验室、哥伦比亚大学和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员，研究量子相干性是如何揭示三层石墨烯等新材料中意想不到的现象的，着眼于量子信息科学和技术的未来应用
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