研究人员通过施加电压将石墨烯薄片变成绝缘体或超导体

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经成功地将特别准备的石墨烯薄片通过施加电压变成绝缘体或超导体。 这项技术甚至可以在局部发挥作用，这意味着在同一个石墨烯薄片上，可以同时实现完全不同的物理特性。

现代电子元件的生产需要具有非常不同性质的材料。例如，有隔离器，它不导电，而超导体可以无损耗地输送电流。为了获得一个部件的特定功能，通常需要将几种这样的材料连接在一起。这通常是不容易的，特别是在处理当今广泛使用的纳米结构时。

由Klaus Ensslin和Thomas Ihn领导的苏黎世联邦理工学院固态物理实验室的一个研究小组现在已经成功地使一种材料交替表现为绝缘体或超导体，甚至在同一材料的不同位置同时表现为绝缘体和超导体，只需施加电压即可。他们成果已经发表在科学杂志《自然-纳米技术》上。这项工作得到了国家科研能力中心QSIT（量子科学与技术）的支持。

恩斯林和他的同事们使用的材料有一个有点累赘的名字：“魔角扭曲的双层石墨烯”。事实上，这个名字隐藏着相当简单和众所周知的东西，即碳，但是以一种特殊的形式扭曲。这种材料的起点是石墨烯片，这是只有一个原子厚的碳层。研究人员将这些层中的两层放在彼此的顶部，使它们的晶轴不平行，而是形成一个正好为1.06度的 “神奇角度”。“这相当棘手，而且还需要在生产过程中准确控制片状物的温度。因此，它经常出错，然而，在百分之二十的尝试中，它是有效的，石墨烯片的原子晶格会产生所谓的摩尔纹图案，其中材料的电子行为与普通石墨烯不同。

在魔角石墨烯薄片的顶部，研究人员附加了几个额外的电极，他们可以用这些电极对材料施加电压。当他们把所有东西冷却到绝对零度以上的几百分之一时，一些非凡的事情发生了。根据所施加的电压，石墨烯薄片以两种完全相反的方式表现出来：要么作为超导体，要么作为绝缘体。这种可切换的超导性已于2018年在美国麻省理工学院（MIT）得到证明。即使在今天，全世界也只有少数几个小组能够生产这种样品。

恩斯林和他的同事们现在又向前迈进了一步。通过对各个电极施加不同的电压，他们把魔角石墨烯在一个地方变成了绝缘体，但在一边的几百纳米处却变成了超导体。研究人员首先试图实现一个约瑟夫森结，在这种结中，两个超导体被一个薄如蝉翼的绝缘层隔开。这样一来，电流就不能直接在两个超导体之间流动，而是要通过绝缘体进行量子力学隧道。这反过来又导致接触的电导率以一种特有的方式随电流变化，这取决于使用的是直流电还是交流电。

ETH的研究人员通过使用施加在三个电极上的不同电压，成功地在石墨烯薄片内部产生了一个以神奇角度扭曲的约瑟夫森结，并且还测量了其特性。一个有趣的方面是，在电极的帮助下，石墨烯片不仅可以变成绝缘体和超导体，还可以变成磁体或所谓的拓扑绝缘体，其中电流只能沿着材料的边缘向一个方向流动。这可以被利用来在一个设备中实现不同种类的量子比特。