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石墨烯材料迎來下一站!

  

2018 年,MIT 的一支团队曾实现通过让两张厚度为单个碳原子直径的石墨烯薄片叠在一起,并让两张的相对朝向呈一特定倾角,再对薄片施加电场,使叠起来的石墨烯薄片能从导体变为绝缘体然后再变为超导体,该研究象征着一个 “用单一化学材料构建电子元件” 的新兴材料研究领域 “Twistronics” 的诞生。

石墨烯材料性質發生變化的關鍵在于薄片被扭動的角度,當薄片被旋轉 1.1° 时,材料表面会出现大范围的 “摩尔纹” 圖案,这会使成千上万聚在一起的原子对外界的反应一致,并通过这种原子群的 “群体反应” 使一定数量的电子能被施加的电场摆到特定位置,进而实现材料本身特性从导体到绝缘体、再到超导体的转变。

 

| 一层石墨烯薄片被精准旋转后与另一层没旋转的薄片交叉形成的摩尔纹圖案示意圖(来源:Science

 

目前,包括 MIT 的團隊在內,Twistronics 領域的兩支頂級團隊正致力于用調整過疊放狀態的石墨烯構建電子元件,並已成功實現能捕獲和控制單個電子和光子的基礎元件開發。

而根据一篇于最近发表的論文,上述两支团队的研究人员已成功实现通过拍打金属的特性 “开关” 圖案,来使薄片的不同区域受不同强度的电场影响并形成不同特性,他们还借此构建出一种名为 Josephson 的裝置,這是一種兩層超導夾著一層非超導的三明治結構裝的用于控制材料超導性的裝置,常被用于制造磁感腦電信號監測設備的超敏磁力計。

此外,研究人員還開發了一種基于該方法的可控制電子運動的晶體管,未來或可用于縮小電路構造並降低電路的耗能。

目前來看,這種石墨烯材料構建電子元件的方法,短期內可能還無法進軍消費類矽制電子産品,雖然石墨烯材料本身在制造上很容易(最簡單的方法是把強力膠帶貼在石墨上然後再撕下來),但若想實現石墨烯的超導則需要將其保存在接近絕對零度的環境中,而由于石墨烯薄片容易在被旋轉的過程中“起皺”,將薄片精准地旋轉一個角度也並不容易,因此目前業內尚無能將這種材料用于量産電子元件的有效方法。

參與研究的團隊負責人 Jarillo-Herrero 說:“按這種方法制造一個真正意義上的複雜設備需要成千上萬的石墨烯襯底,但我們目前並沒有技術制造這麽多石墨烯襯底並將它們按所需的方式組合在一起。”

雖然我們目前離用石墨烯材料制造電子元件還有一段距離,但用這種方法制造的好處在于材料中所有的原子都是碳,並不存在現有混合材料研發所需面臨的元素搭問題,這是因爲不同元素按不同方法和形式搭配,可能會對結果帶來不同影響。

这相当于是为材料学家们在材料性质的操控上提供了一种 “前所未有” 的自由度,而如果这种自由度在未来真的能被实现,基于石墨烯的纯碳电子元件将有望能简化量子计算机的设计,比如谷歌和 IBM 的量子計算機都是通過同時操控多個 Josephson 裝置來構建量子位,而基于石墨烯的純碳 Josephson 裝置則有望能使量子位的構建變得更簡單。

此外,哈佛大學的一支團隊在今年 4 月時曾提出一種基于石墨烯材料的單個紅外光子的檢測設備,其能幫助天文學家們在天文研究中捕獲早期宇宙所放出的微弱光信號。

虽然基于石墨烯材料的纯碳元件制造领域仍处于起步阶段,但其在未来能为材料学带来影响或是 “革命性” 的。Twistronics 領域的開創團隊之一的負責人、美國新澤西州 Rutgers 大學的凝聚態物理學家 Eva Andrei 說:“這是一種不用借助化學(不同元素的材料混合方法)就能制造材料的方法,材料學的發展或已因此進入一個新的時代。”