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通过扭曲和挤压解锁石墨烯的超导功率

发布时间:2019-02-02 15:01:47 来源:

石墨烯被认为是一种神奇的材料。它不仅是迄今发现的最强,最薄的材料,其卓越的导热能力,为电子,能源,医药等领域的创新铺平了道路。

现在,由哥伦比亚大学领导的团队开发了一种新方法,用于精细调整石墨烯的相邻层 - 花边,蜂窝状碳原子片 - 以诱导超导性。他们的研究为这种二维材料的有趣特征提供了物理学的新见解。

该团队的论文发表在1月24日出版的“ 科学”杂志上。

“我们的工作展示了在扭曲的双层石墨烯中诱导超导性的新方法,特别是通过施加压力实现的,”哥伦比亚物理学助理教授兼该研究的首席研究员Cory Dean说。“它还提供了去年麻省理工学院结果的关键性首次证实 - 双层石墨烯在以一定角度扭曲时可以表现出电子特性 - 并进一步加深了我们对该系统的理解,这对于这一新的研究领域极为重要。”

在2018年3月,麻省理工学院的研究人员报告了一项突破性的发现,即两个石墨烯层在它们之间的扭转角为1.1度时可以无阻力地导电,称为“魔角”。

但是,击中魔角已经证明是困难的。“这些层必须在1.1左右的范围内扭曲到十分之一左右,这在实验上具有挑战性,”迪恩说。“我们发现,对齐中的非常小的错误可能会产生完全不同的结果。”

所以Dean和他的同事,包括国家材料科学研究所和加州大学圣巴巴拉分校的科学家,开始测试是否可以在更大的旋转下实现魔角条件。

哥伦比亚大学物理系博士后研究科学家,该研究的第一作者马修·扬科维茨说:“我们不是试图精确控制角度,而是试图改变各层之间的间距。” “通过这种方式,任何扭转角度原则上都可以变成魔角。”

他们研究了扭转角度为1.3度的样品 - 仅略大于魔角,但仍足够远以排除超导性。

施加压力将材料从金属转变为绝缘体 - 电流不能流动 - 或超导体 - 电流可以无阻力地通过 - 取决于材料中的电子数量。

“值得注意的是,通过施加超过10,000个大气压的压力,我们观察到绝缘和超导相的出现,”Dean说。此外,超导电性在石墨烯中观察到的最高温度下发展到目前为止,仅比绝对零度高3度。“

为了达到诱导超导所需的高压,该团队与位于佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场用户设施(称为Maglab)密切合作。

“这项努力是一项巨大的技术挑战,”迪恩说。“在制造了我们曾经使用过的最独特的设备之一后,我们不得不将低温,高磁场和高压结合起来 - 同时测量电气响应。将这一切放在一起是一项艰巨的任务和我们的能力让它发挥作用真的是对Maglab精彩专业知识的致敬。“

研究人员认为,有可能在更高的压力下进一步提高超导的临界温度。最终目标是有朝一日开发出一种可在室温条件下发挥作用的超导体,虽然石墨烯可能具有挑战性,但它可以作为实现其他材料目标的路线图。

该项研究的合作者,加州大学圣巴巴拉分校物理学助理教授Andrea Young表示,该工作清楚地表明,挤压这些层与扭曲它们具有相同的效果,并提供了另一种操纵石墨烯电子特性的范例。

“我们的研究结果显着放宽了限制因素,这使得研究系统变得具有挑战性,并为我们提供了控制它的新方法,”Young说。

Dean和Young现在正在扭曲和挤压各种原子级薄材料,希望在其他二维系统中发现超导性。

“了解'为什么'这种情况正在发生是一项艰巨的挑战,但对于最终利用这种材料的力量至关重要 - 我们的工作开始揭开神秘面纱,”迪恩说。

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