麻省理工學院和哈佛大學的研究人員又有了新發(fā)現(xiàn)，石墨烯可以通過調(diào)節(jié)變?yōu)榻^緣體或超導體。過去研究者們通過將石墨烯與其他超導材料結(jié)合的方式合成石墨烯超導體，這種結(jié)構(gòu)使得石墨烯具備一定的超導特性。但是最新的研究表明，石墨烯靠自己也可以實現(xiàn)超導，證明單純的碳基材料本身也具有超導性。

神奇的“魔角”

研究人員通過創(chuàng)建兩個石墨烯薄片堆疊在一起的“超晶格”結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這一性質(zhì)。石墨烯薄片不是完全重合疊加，而是在一個特定的角度（研究人員稱其為“魔角”），也就是旋轉(zhuǎn)1.1度（如上圖右側(cè)所示）。這樣就形成了精確的莫爾結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使石墨烯薄片之間的電子發(fā)生強相互作用。在其他任何方式的堆疊結(jié)構(gòu)中，石墨烯都很少與相鄰的電子產(chǎn)生相互作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當以這個“魔角”旋轉(zhuǎn)時，兩片石墨烯不導電，類似于莫特絕緣體。當研究人員施加電壓，向石墨烯超晶格添加少量電子時，就會發(fā)現(xiàn)在一定水平上，電子突破了初始絕緣狀態(tài)，形成電流，并且沒有電阻，就像超導體一樣。“現(xiàn)在我們可以利用石墨烯作為研究超常規(guī)超導的新平臺，” 研究人員說。人們也可以想象出從石墨烯中制造出一種超導晶體管，這種晶體管可以由開關(guān)控制其從超導到絕緣體的變化。這為量子設(shè)備提供了許多可能性?！?/p>

什么是莫特絕緣體？

絕緣體的能帶完全被電子沾滿，而像金屬這樣的導體其能帶被部分填充，電子可以自由填充剩下的空能帶。而莫特絕緣體與兩者不同，從它的能帶結(jié)構(gòu)看是可以導電的，但是測量時卻表現(xiàn)出絕緣體的特性。也就是說雖然它們的能帶是半填充的，但是由于電子間的靜電作用（例如同種電荷互相排斥），材料不導電。半填充帶基本上分裂成兩個平坦的能帶，電子完全占據(jù)其中一條，另一條是空的，因而表現(xiàn)出絕緣體的性質(zhì)。

“這意味著所有的電子都不能流動，所以它是絕緣體”研究人員解釋道?！澳亟^緣體為什么重要？有數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)高溫超導體的母體化合物都是莫特絕緣體?！睋Q句話說，科學家已經(jīng)找到了能讓莫特絕緣體變成超導體的方法，在約100K的時候。研究人員用氧去“吸”莫特絕緣體，氧原子將電子從莫特絕緣體中吸出去，留下更多的空間讓剩余的電子流動。氧氣充足的條件下，絕緣體就能變成導體。

如何制備出“魔角”結(jié)構(gòu)的石墨烯

在研究石墨烯的電子性質(zhì)時，研究人員開始研究簡單的石墨烯堆。研究人員首先從石墨中剝離一塊石墨烯薄片，然后用涂有粘性聚合物的玻璃片和一層氮化硼絕緣材料，小心地將一半的薄片剝離出來，從而制造出兩片超晶格。然后他們輕輕地轉(zhuǎn)動玻璃片，拿起了石墨薄片的第二部分，貼在前半部分上。這樣，他們就得到了一個超晶格的偏移結(jié)構(gòu)，這是與石墨烯原始蜂窩晶格截然不同的結(jié)構(gòu)。

研究人員重復了幾次這個實驗，做了幾個裝置，使石墨烯超晶格在0-3°之間旋轉(zhuǎn)不同的角度，測量電流通過。如果旋轉(zhuǎn)角度下降0.2°，所有的物理現(xiàn)象消失，沒有超導體或莫特絕緣體出現(xiàn)，所以必須非常精確地對準旋轉(zhuǎn)角度。

1.1°被認為是一個“魔角”，研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯超晶格電子類似扁平帶結(jié)構(gòu)，就像莫特絕緣體，無論動量是多少，所有的電子攜帶相同的能量。研究人員說：“想象汽車的動量是質(zhì)量×速度，如果以30英里/小時的速度行駛，汽車會有一定的動能。如果以60英里/小時的速度行駛，這個動能就會更高。而我們現(xiàn)在的情況是想象不管速度是30、60或是100英里/小時，都擁有同樣的能量。”對電子來說這就意味著即使它們占據(jù)了半填充的能帶，一個電子的能量不比任何其他電子的多，不足以使它在這個能帶內(nèi)移動。因此，即使這樣半填充的能帶結(jié)構(gòu)應該像導體一樣，它卻表現(xiàn)為絕緣體的特性，更確切一點說是莫特絕緣體。

把“魔角”結(jié)構(gòu)的石墨烯做成超導體

研究人員從之前的結(jié)論中得到這樣一個想法：如果他們能把電子添加到這些類似莫特絕緣體的超晶格中，就像用氧摻雜莫特絕緣體使它們變成超導體一樣，石墨烯會反過來呈現(xiàn)超導性質(zhì)嗎？為了找出答案，他們將一個小的觸發(fā)電壓施加到“魔角石墨烯超晶格”，向其中加入少量的電子。結(jié)果單個電子與石墨烯中的其他電子結(jié)合在一起，并且可以流動。過程中，研究人員繼續(xù)測量材料的電阻，卻發(fā)現(xiàn)當他們添加一定量的少量電子時，電流就像超導體一樣不損耗能量。

更重要的是，研究人員可以在同一個設(shè)備中通過調(diào)整石墨烯使其變成絕緣體或超導體，或是這之間的任何相位。這與之前其他的方法形成鮮明的對比，以前科學家們需要制備和操作成百上千個單獨的晶格，每一個晶格只能在一個電子相位中運行。

也就是說研究人員可以通過研究石墨烯這一種材料就可以獲取絕緣體、超導體以及中間任何相位的物理信息。而目前其他任何材料都還不具備這種性質(zhì)。