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曹原再获重大突破:发现什么效果?四层“魔角”歪曲石墨烯诞生!

石墨烯由单层碳原子组成,呈六边形蜂窝状衔接,结构简略,看起来很精美。自从2004年发现石墨烯以来,科学家们现已发现,石墨烯实际上十分巩固。尽管石墨烯不是一种金属,但其超高的导电率,比大大都金属都要好。2018年,以曹原)和巴勃罗·贾里洛-赫雷罗为首的麻省理工学院科学家发现:

当两张石墨烯以略有偏移的“魔角”视点堆叠在一起时,这种新的“歪曲”双层石墨烯结构既可以成为绝缘体,彻底阻挠电流经过资料,也可以成为超导体,可以让电子毫无电阻地流过。这是一个永存的发现,还一起协助敞开了一个被称为“歪曲电子学”的新范畴,即研讨歪曲双层石墨烯和其他资猜中的电子行为。现在,麻省理工学院曹原等科学家,在《天然》期刊上连发两项两篇新研讨论文,报告了他们在石墨烯双向电子学方面的最新打破和发展。

曹原等第一项研讨

曹原等麻省理工学院研讨人员与魏茨曼科学研讨所的合作者,初次对整个歪曲石墨烯结构进行了成像和制作,分辨率满足精密,可以看到整个结构上部分歪曲视点的细小改变。成果显现,在结构内,石墨烯层之间的“魔角”视点略违背均匀偏移1.1度的区域。研讨小组在0.002度的超高角分辨率下探测到了这些改变,这相当于可以从一英里外看到苹果相关于地平线的视点。

研讨发现,与歪曲视点规模较大的结构比较,视点改变规模较窄的结构,具有更显着的奇特特性,如绝缘性和超导性。麻省理工学院塞西尔和艾达·格林物理学教授Jarillo-Herrero说:这是第一次制作出整个设备的地图,以了解设备中给定区域的歪曲视点。发现,可以有一点改变,但仍然可以表现出超导和其他奇特的物理特性,但不能太多,现在研讨现已表征了可以有多少歪曲改变,以及有太多的退化效应是什么。

曹原等第二项研讨

曹原等研讨人员发明了一种新的歪曲石墨烯结构,其石墨烯不是两层,而是四层。研讨调查到,与两层前身比较,新的四层“魔角”结构对某些电场和磁场更灵敏。这标明,研讨人员可以更简单和更可控地研讨“魔角”石墨烯在四层体系中的奇特性质。我国学者、麻省理工学院博士生曹原说:这两项研讨的意图是为了更好地了解“魔角”双电子设备令人费解的物理行为。

一旦得以了解,物理学家信任这些设备可以协助规划和规划新一代高温超导体,量子信息处理的拓扑设备,以及低能量技能。自从曹原和团队初次发现“魔角”石墨烯以来,其科学家都欣然接受了调查和丈量其性质的时机。有几个研讨小组运用扫描隧道显微镜(STM)对石墨烯“魔角”结构进行了成像,扫描隧道显微镜是一种在原子水平上扫描外表的技能。

像保鲜膜上的皱纹

但是,运用这种办法,研讨人员只能扫描最多几百平方纳米的“魔角”石墨烯小块区域。曹原麻省理工合著巴勃罗·贾里洛-赫雷罗说:用整个微米级的结构,调查数百万个原子并不是扫描隧道显微镜最适合的,理论上这是可以做到的,但需求很多的时刻。因而,麻省理工学院团队咨询了魏茨曼科学研讨所的研讨人员,他们开发了一种被称为“扫描纳米SQUID”的扫描技能,SQUID代表超导量子干与设备。

传统超导量子干与设备类似于一个小的二等分环,环的两半由超导资料制成,并经过两个结点衔接在一起。安装在类似于扫描隧道显微镜(STM)的设备顶级,SQUID可以在微观标准上丈量流过环样品的磁场,而魏茨曼研讨所的研讨人员缩小了SQUID的规划,以感应纳米标准的磁场。当“魔角”石墨烯被置于一个小磁场中时,因为所谓“朗道能级”的构成,它会在结构上产生继续的电流。

例如,这些朗道能级和继续电流对部分扭角十分灵敏,依据部分扭角的准确值,导致磁场具有不同的巨细。经过这种方法,纳米SQUID技能可以检测到间隔1.1度有细小偏移的区域。曹原麻省理工合著巴勃罗·贾里洛-赫雷罗标明:事实证明,这是一项令人惊叹的技能,可以捕捉到间隔1.1度不到0.002度的细小视点改变,这关于制作“魔角”石墨烯是十分好的。研讨小组运用这项技能制作了两种“魔角”结构:一种是歪曲改变规模较小的,另一种是规模较大的。

研讨把一片石墨烯放在另一片石墨烯上,类似于把保鲜膜放在保鲜膜上,此刻你也会想到会有褶皱,两层膜会有一点歪曲,有些没有那么歪曲,就像研讨人员在石墨烯中所看到的那样。研讨发现,与歪曲改变较多的结构比较,歪曲改变规模较窄的结构具有更显着的奇特物理特性,如超导电性。我国学者、麻省理工学院博士生曹原说:现在咱们可以直接看到这些部分的歪曲改变,研讨怎么规划歪曲视点的改变来完成设备中的不同量子相位是很风趣的。

可调谐物理

在曩昔的两年里,曹原等研讨人员对石墨烯和其他资料的不同调配进行了试验,看看以特定的视点歪曲它们是否会带来奇特的物理行为,假如扩展结构,以抵消不是两层,而是四层石墨烯,“魔角”石墨烯的诱人物理学是否会站得住脚。自从石墨烯在近15年前被发现以来,关于其性质的很多信息现已被发表,不仅是作为一张薄膜,并且还在多层中堆叠和摆放。

双层石墨烯是一个现在研讨人员十分了解其性质的体系,理论核算标明,在双层顶部的双层结构中,风趣的物理产生视点规模更大。因而,这种类型的结构在制作器材方面或许更适合。部分遭到这一理论或许性的启示,研讨人员制作了一种新的魔角结构,将一个石墨烯双层与另一个双层偏移1.1度。然后,将这种新的“双层”歪曲结构衔接到电池上,施加电压,并丈量当将该结构置于各种条件下时流过的电流。

就像由两层石墨烯制成的“魔角”结构相同,这种新的四层石墨烯结构显现出一种奇特的绝缘行为。但绝无仅有的是,研讨人员可以经过电场上下调这种绝缘性,这是双层魔角石墨烯不或许做到的。我国学者、麻省理工学院博士生曹原说:这个体系是高度可调谐的,这意味着咱们有很大的“控制力”,这将能让咱们研讨用单层“魔角”石墨烯无法了解的东西。现在还处于该范畴的前期阶段,就现在而言,物理界仍对其现象入神。

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