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“魔角”石墨烯研究再获新突破

来源:时间:2021-07-28

“魔角”石墨烯研究再获新突破。

去年,科学家们成功实验了可扭曲双层石墨烯——一种可轻度扭转的双原子厚碳层材料,它能够实现超导和绝缘态的转换。最近,新一期的《自然》杂志发表了一项由西班牙、美国、中国以及日本科学家共同研究的科学成果,这种材料在微小的电压变化下可以实现超导性的开启或关闭,大大提升了它在电子设备中的效用。

这项研究将是新兴领域转角电子学的一次重大进步,研究创始人包括有MacDonald教授和同一所大学的工程师Emanuel Tutuc。全球的研究人员经历了数年的艰苦研究,才将MacDonald初始的研究发现转变为一种具有特殊性能的材料,不过这样的等待是值得的。

偶然发现超导性

2011年,理论物理学家MacDonald运用量子数学和计算机建模研究2D材料,最后却有出乎意料的发现。他与博士后研究员Rafi Bistritzer一直致力于建成简单而又精确的模型,因为当一层相对于另一层被轻微扭转时,可以用来观察电子是如何在堆叠的单原子厚2D材料中运转的。这看似是一个非计算解决的问题,却可以通过关注材料系统中的一个关键参数得到极大的简化。

MacDonald和Bistritzer所应用的策略事实证明是成功的,当他们将此方法应用于扭曲的双层石墨烯——包含双层碳原子的系统,结果发现在约为1.1度的角度——他们称之为“魔角”,电子会以一种非常奇特的方式运行,速度突然放慢100多倍。

为什么会出现这种情况?它对于科学界来说意味着什么?也许还要很多年才能够找到答案。短期来看,这项研究很大程度上会被搁置或忽略,因为成果太不同寻常以至于难以令人信服。而从长远来看,创建这样一种材料系统,并使2D材料层保持精确的扭转角度,显然难以做到。

但并非每个人都会质疑这一研究成果。当这一预测结果在《美国国家科学院院刊》上发表时,世界各地的一些实验者就注意到了这项研究,并选择继续研究“魔角”。2018年,麻省理工学院的物理学家们首次创造了1.1度扭转的层叠式石墨烯系统,他们发现,正如MacDonald预测的那样,这种材料展现出了超凡的特性——尤其是在超高温下的超导性。

MacDonald表示,对于电子活动突然减速的原因,现在还没有一个简单的解释。不过,我们要感谢哈佛大学理论学者近期所做的工作,因为基本粒子物理学的研究能够部分解释这个材料系统。超导材料没有电阻,因此电子可以在无能量消耗的情况下无止境的运动。它们可以被应用于量子计算,在它们不需要昂贵的冷藏环境时,它们或许会改变电子传输的游戏规则。1911年,超导性被首次发现,并且在多种材料中都出现了超导性。可是,这些都需要极低的温度才能够一直保持超导性。而层叠2D材料的出现或许正在改变这一切。因此,在转角双层石墨烯中发现的超导性将极大地推动转角

电子学领域的繁荣发展。

十年的专注研究

自从2004年,英国曼彻斯特大学的科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov发现了石墨烯以来,MacDonald一直专注于这些特殊2D材料以及它们所具备的物理特质的研究。他在2004年就投入了材料的研究工作,并且运用了得州高级计算机中心(TACC)的超级计算机去探究石墨烯和其他2D材料的电子结构。“我的工作就是预测那些未曾见过的奇异现象,或是尝试解释令人费解的现象。”MacDonald表示,我非常热衷于那些直接与实际情况相关联的物理理论,尤其感兴趣用数学和物理描绘出真实世界的力量。

层叠2D材料的奇特属性似乎与电子间的相互作用有关,尤其在电子速度放慢时,引发单个电子之间强烈的相互关系后更加明显。

研究人员是如何观察叠层2D系统中究竟发生了哪些活动呢?从技术层面来说,“看到”活动中的电子几乎是不可能的。测量或许能够给出一些线索,不过得到的结果也是间接并与直觉相反。MacDonald认为,计算机建模能有助于了解限制电子的最新情况。代表经典电子结构的计算机建模在大多数情况下都发展良好,并且保持高度的精确,但是它们在面对异质结奇异的物理现象时,还需要进行调整。

而改变这些因素就意味着要重写现有的模型,以便反映出强烈相互作用电子之间的行为。MacDonald和实验室的研究员们目前正在使用美国高级计算机中心的Stampede2超级计算机(全球最强大的计算机之一)去测试模型以及运行模拟工作。此外,为了准确地复制来自全球各地实验室的最新研究成果,需要囊括更大数量的电子。

将理论应用于未曾见过的系统中

当重新设计电子结构模型时,将它们规划为更大数量电子的规模。同时,MacDonald仍然有时间与全球其他实验团队合作,将他的理论和计算结论融入其他团队的实验结果中。

自“魔角”发现以后的数年中,创造具有精确旋转角度的纯叠层2D物质的实际困难,极大地阻碍了这一领域的发展。可是在2016年,另一位科学家Emanuel Tutuc和他的硕士研究生Kyounghwan Kim发明了一种可靠的创建方法,不仅仅只是应用于石墨烯,还可以用于多种不同的2D材料中。

Tutuc介绍说:“这项技术的突破是由我的学生提出来的,他取出一个较大的薄片,将它分成两部分,将其中一片放到另一片的上面。”而此前难以实现这项技术,是因为很难拾起一种微米级的原子材料。研究生Kim为此发明了一种粘性半球状的手柄,用以提起一个独立的原子薄片,同时保持其他部分的完整。

美国高级计算机中心的超级计算机是Mac-Donald研究中至关重要的工具。“如果没有一台高性能的计算机,我们的许多工作是无法完成的。”MacDonald认为。虽然计算实验的结果看起来还没有在实验室中的效果那样真实或直接,但是这一结果能够揭示科学探索的一条新的路径,并且有助于解开宇宙的未解之谜。

MacDonald表示:“我的工作充满活力,正是因为大自然永远都会带来新的问题。当你提出一类新的问题,事先你不会知道答案会是什么。科学研究就是一场冒险,一场群体的冒险,一次集体随意的漫步,在这样的旅程中,我们的科学知识才能够不断的前进。”

编译自得克萨斯大学网

(责任编辑 姜懿翀)

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