蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)成功地將特別準(zhǔn)備的石墨烯薄片通過施加電壓變成絕緣體或超導(dǎo)體。這項(xiàng)技術(shù)甚至可以在局部發(fā)揮作用，這意味著在同一個(gè)石墨烯薄片上，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)完全不同的物理特性。

現(xiàn)代電子元件的生產(chǎn)需要具有非常不同性質(zhì)的材料。例如，有隔離器，它不導(dǎo)電，而超導(dǎo)體可以無損耗地輸送電流。為了獲得一個(gè)部件的特定功能，通常需要將幾種這樣的材料連接在一起。這通常是不容易的，特別是在處理當(dāng)今廣泛使用的納米結(jié)構(gòu)時(shí)。

由Klaus Ensslin和Thomas Ihn領(lǐng)導(dǎo)的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院固態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組現(xiàn)在已經(jīng)成功地使一種材料交替表現(xiàn)為絕緣體或超導(dǎo)體，甚至在同一材料的不同位置同時(shí)表現(xiàn)為絕緣體和超導(dǎo)體，只需施加電壓即可。他們成果已經(jīng)發(fā)表在科學(xué)雜志《自然-納米技術(shù)》上。這項(xiàng)工作得到了國家科研能力中心QSIT（量子科學(xué)與技術(shù)）的支持。

恩斯林和他的同事們使用的材料有一個(gè)有點(diǎn)累贅的名字："魔角扭曲的雙層石墨烯"。事實(shí)上，這個(gè)名字隱藏著相當(dāng)簡單和眾所周知的東西，即碳，但是以一種特殊的形式扭曲。這種材料的起點(diǎn)是石墨烯片，這是只有一個(gè)原子厚的碳層。研究人員將這些層中的兩層放在彼此的頂部，使它們的晶軸不平行，而是形成一個(gè)正好為1.06度的 "神奇角度"。"這相當(dāng)棘手，而且還需要在生產(chǎn)過程中準(zhǔn)確控制片狀物的溫度。因此，它經(jīng)常出錯(cuò)，然而，在百分之二十的嘗試中，它是有效的，石墨烯片的原子晶格會(huì)產(chǎn)生所謂的摩爾紋圖案，其中材料的電子行為與普通石墨烯不同。

在魔角石墨烯薄片的頂部，研究人員附加了幾個(gè)額外的電極，他們可以用這些電極對材料施加電壓。當(dāng)他們把所有東西冷卻到絕對零度以上的幾百分之一時(shí)，一些非凡的事情發(fā)生了。根據(jù)所施加的電壓，石墨烯薄片以兩種完全相反的方式表現(xiàn)出來：要么作為超導(dǎo)體，要么作為絕緣體。這種可切換的超導(dǎo)性已于2018年在美國麻省理工學(xué)院（MIT）得到證明。即使在今天，全世界也只有少數(shù)幾個(gè)小組能夠生產(chǎn)這種樣品。

恩斯林和他的同事們現(xiàn)在又向前邁進(jìn)了一步。通過對各個(gè)電極施加不同的電壓，他們把魔角石墨烯在一個(gè)地方變成了絕緣體，但在一邊的幾百納米處卻變成了超導(dǎo)體。研究人員首先試圖實(shí)現(xiàn)一個(gè)約瑟夫森結(jié)，在這種結(jié)中，兩個(gè)超導(dǎo)體被一個(gè)薄如蟬翼的絕緣層隔開。這樣一來，電流就不能直接在兩個(gè)超導(dǎo)體之間流動(dòng)，而是要通過絕緣體進(jìn)行量子力學(xué)隧道。這反過來又導(dǎo)致接觸的電導(dǎo)率以一種特有的方式隨電流變化，這取決于使用的是直流電還是交流電。

ETH的研究人員通過使用施加在三個(gè)電極上的不同電壓，成功地在石墨烯薄片內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)以神奇角度扭曲的約瑟夫森結(jié)，并且還測量了其特性。一個(gè)有趣的方面是，在電極的幫助下，石墨烯片不僅可以變成絕緣體和超導(dǎo)體，還可以變成磁體或所謂的拓?fù)浣^緣體，其中電流只能沿著材料的邊緣向一個(gè)方向流動(dòng)。這可以被利用來在一個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)不同種類的量子比特。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）

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