出品：放牛班的秘密花园

来源：Phys

编译：Sail2008

责任编辑：Sunnisky

凭借在石墨烯领域的重大发现3年5登《Nature》期刊的天才科学家曹原再传好消息！基于其超导旋转角度的研究成果，他所在的麻省理工学院科技团队利用石墨烯制备出多种实用电子器件，再次引起轰动。

麻省理工学院（MIT）的研究人员最近完成了一个哈利·波特式的魔法壮举，他们用石墨烯这种由单原子厚度的碳组成的魔法材料制备出三种实用电子器件。通常，作为量子电子工业的关键，这类器件是由多种材料、需要采用多个制作步骤来制备的。MIT的方法自动解决了与这些更复杂的过程相关的各种问题。

麻省理工学院一种新型纳米器件的纳米结构的艺术呈现。两片旋转特定角度的石墨烯由蜂巢晶格中有金属光泽的蓝色碳原子来表示。石墨烯上面和下面的电极（栅极）用金色来表示。电子用较小的浅蓝色圆圈来表示。资料来源：Ella Maru工作室

因此，这项工作可能将开创新一代量子电子器件，可用于包括量子计算在内的多种应用。更近一步的是，这些器件可以是超导的，或称无电阻导电。然而他们是通过一种非常规机制做到这一点的，随着研究深入下去，可能会给超导物理学带来新的见解。研究人员在2021年5月3日的《自然·纳米技术》杂志上报告了他们的研究成果。

“在这项研究中，我们证明了旋转魔法角度的石墨烯是所有超导材料中用途最广泛的，它使我们能在单一系统中实现多种量子电子器件。利用这一先进平台，我们已能首次探索只出现在二维空间的新型超导物理，”MIT的塞西尔和艾达格林（Cecil and Ida Green）特聘物理学教授、该研究的领导者Pablo Jarillo-Herrero说。他同时隶属于MIT材料研究实验室。

Jarillo-Herrero和曹原

神奇的超导旋转角度

这种“神奇”的新材料是基于石墨烯的。石墨烯由一层碳原子组成，呈类似蜂巢结构的六边形排列。它在大约17年前才被发现，拥有一系列惊人的特性。例如，它的硬度超过钻石，透明，柔韧性强，还容易导热和导电。

2018年，Jarillo-Herrero团队的曹原有了一个关于两层石墨烯的惊人发现，其做法是把一层石墨烯叠加到另一层上。然而，这两层并非完全重叠，而是其中一层以特定的“魔法角度”稍微旋转1.1度。

由此产生的结构使石墨烯要么成为超导体，要么成为绝缘体（这会阻止电流流动），取决于电场辅助制备石墨烯时系统中的电子数量。实质上，该团队通过转动旋钮改变电压，就能将石墨烯调整到完全不同的状态。

这种魔法材料的正式名称是“以魔法角度旋转的双层石墨烯”（MATBG），它引起了研究界的强烈兴趣，甚至激发出一个全新的领域（旋转电子学），这也成了当前工作的核心。

石墨烯的魔法公式

2018年，Jarillo-Herrero和同事通过单个电极或金属栅极改变了施加到这种魔法材料上的电压。在目前的工作中，“我们引入了多个栅级，给材料的不同区域施以不同的电场，”物理学研究生、该论文第一作者Daniel Rodan-Legrain表示。

研究团队一下子就能将同一种魔法材料的不同部分调整为多种电子态，从超导态到绝缘态，再到介于两者之间的态。接着，通过应用不同配置的栅极，他们能复制电子电路的所有部分，它们通常由完全不同的材料制备。

Daniel Rodan-Legrain拿着一块这项研究所用的芯片载体，旁边是稀释制冷机。来源：MIT

由石墨烯制备的可运转器件

最终，该团队使用这种方法创造了三种不同的可运转量子电子器件。这其中包括称为Josephson结的超导开关。Josephson结是超导量子计算机背后的量子比特（又称量子位）的基本构件。它们还应用在其它许多方面，比如与能够非常精确地测量磁场的装置相结合。

该团队还制备了两个相关器件：光谱隧穿设备和单电子晶体管（控制电流移动的超灵敏设备，一次控制一个电子）。前者是研究超导性的关键，后者有多种应用，部分原因是由于其对电场的极高灵敏度。

这三种器件都得益于由单一的电调谐材料制备。那些由多种材料制备的传统器件面临着各种挑战。例如，不同的材料可能不兼容。“现在，如果你只处理一种材料，这些问题就消失了，”Rodan-Legrain说。

未参与这项研究的MIT电气工程和计算机科学系副教授William Oliver说：

“MATBG性能卓越，它的金属、超导、绝缘等电气性能可以通过对附近的栅极施加电压来确定。在这项工作中，Rodan-Legrain等人证明了他们能通过单片MATBG的电气浇注来制备包含超导、正常和绝缘区域的相当复杂的器件。传统的方法是用不同的材料分几个步骤来制备该设备。使用MATBG，通过简单地改变栅极电压，产生的器件可以完全重新配置。”

面向未来：可用于量子计算机

这篇论文中描述的研究成果为许多潜在的未来进展铺平了道路。例如，Rodan-Legrain称可以用它从一种材料中创建第一个电压调谐量子位，这可以应用于未来的量子计算机。

此外，由于新系统使对MATBG的神奇超导性进行更详细的研究成为可能，而且相对来说容易操作，从而有望使我们深入了解高温超导体的产生。目前的超导体只能运转在极低温度下。Rodan-Legrain表示，这种魔法材料堪称材料界的“罗塞塔石碑”。

为了让我们一瞥其科学原理，Rodan-Legrain描述了该团队在进行研究时遇到的各种意外。例如，实验中的一些数据与团队的最初预期不符。这是因为他们用单原子厚度的MATGB创建的Josephson结是二维的，因此与传统的三维材料有截然不同的行为。“很高兴能实现数据，看到它们，对它们感到困惑，然后进一步理解我们所看到的。”

天才少年曹原

除Jarillo-Herrero和Rodan-Legrain外，该论文的其他作者还包括MIT材料研究实验室（MRL）博士后曹原；化学系研究生Jeong Min Park；材料研究实验室博士后Sergio C. de la Barrera；帕帕拉多大学物理系博士后Mallika T. Randeria；日本国家材料科学研究所研究员Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。其中Rodan-Legrain、曹原和Jeong Min Park是这篇论文的同等贡献者。

该研究的资助方包括美国国家科学基金会、美国能源部、美国陆军研究办公室、MIT帕帕拉多奖学金、美国教育部、日本教育文化体育科技部（MEXT）及多家基金会。

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