苏黎世联邦理工学院的研究人员通过施加电压成功地将特殊制备的石墨烯薄片转化为绝缘体或超导体。这种技术甚至可以在局部发挥作用，这意味着在相同的石墨烯薄片区域，完全不同的物理性质可以同时实现。

 

现代电子元件的生产需要具有多种性能的材料。例如，有些隔离器不导电，有些超导体能毫无损失地传输电流。为了获得一个组件的特定功能，人们通常必须将几个这样的材料结合在一起。这通常并不容易，特别是在处理目前广泛使用的纳米结构时。

 

瑞士苏黎世联邦理工学院的一组研究人员由克劳斯Ensslin和托马斯Ihn固态物理实验室已经成功地使材料交替行为作为绝缘体或超导体——甚至都在相同的材料在不同的位置,通过施加一个电压。他们的研究结果发表在科学杂志《自然纳米技术》上。这项研究得到了国家量子科学技术研究能力中心的支持。天富登录注册

 

具有神奇角度的石墨烯

 

Ensslin和他的同事使用的材料有一个有点拗口的名字“魔法角扭曲双层石墨烯”。事实上，这个名字隐藏着一些相当简单和众所周知的东西，即碳，尽管是以一种特殊的形式和一种特殊的扭曲。这种材料的起点是石墨烯薄片，即只有一个原子厚度的碳层。研究人员将其中两层叠加在一起，使它们的晶体轴不平行，而是形成恰好1.06度的“魔法角”。“这相当棘手，我们还需要在生产过程中精确控制薄片的温度。结果，它经常出错，”作为博士后参与实验的彼得·里克豪斯解释道。

 

然而，在20%的尝试中，它成功了，然后石墨烯薄片的原子晶格产生了所谓的moiré模式，在这种模式中，材料中的电子行为与普通石墨烯不同。Moiré图案在电视上很常见，例如，有图案的衣服和电视图像的扫描线之间的相互作用可以导致有趣的光学效果。在神奇的角度石墨烯薄片上，研究人员附加了几个电极，他们可以用这些电极对材料施加电压。当他们把所有东西都冷却到绝对零度以上百分之几度的时候，就会发生一些非凡的事情。根据施加的电压，石墨烯薄片表现为两种完全相反的方式:要么作为超导体，要么作为绝缘体。2018年，这种可切换的超导性已经在美国麻省理工学院(MIT)进行了演示。即使在今天，世界上也只有少数几个组织能够生产出这样的样品。

 

约瑟夫逊结

 

约瑟夫森结的电子显微镜图像(假色)。用电极(亮金和暗金)作为钢琴键，可以在两个超导区域之间创造一个只有100纳米厚的绝缘层。Credit: ETH Zurich / F. de Vries

 

绝缘体和超导体采用同一种材料

 

Ensslin和他的同事们现在更进一步。天富登录测速通过对单个电极施加不同的电压，他们将神奇角度的石墨烯在一个点上变成绝缘体，但在一个面上只有几百纳米，它就变成了超导体。

 

恩斯林实验室的博士后Fokko de Vries说:“当我们看到这一点时，很明显我们首先尝试实现约瑟夫森结合。”在这样的结中，两个超导体被一层晶片薄的绝缘层隔开。这样，电流就不能在两个超导体之间直接流动，而只能通过量子力学的方式穿过绝缘体。这反过来又使触点的电导率随电流的变化而变化，这取决于是使用直流电还是交流电。

 

在量子技术中的可能应用

 

ETH的研究人员通过对三个电极施加不同的电压，成功地在石墨烯薄片内部产生了一个约瑟夫森结，并测量了它的特性。德·弗里斯说:“既然这一方法已经奏效，我们可以尝试使用更复杂的设备，比如squid。”在SQUIDs(“超导量子干涉装置”)中，两个约瑟夫森结连接成一个环。这种设备的实际应用包括微小磁场的测量，以及量子计算机等现代技术。对于量子计算机的可能用途，