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石墨烯研究又获突破!"魔角"超导开关被发现,离物理学“圣杯”更近一步

北极蚊子 2019-11-7 14:50

关于石墨烯的研究好像逐渐变得过时了,但是新的有关超薄材料片层的实验研究表明,还有很多东西需要去探究学习。

碳,作为周期表乃至地球上最引人瞩目的元素之一,存在于我们生活中近乎九成以上的已知物质中。而关于碳的每次突破,都备受科学界的关注——60 个碳原子组成的足球结构"巴基球",也就是碳-60,其发现及所属的富勒烯(Fullerene)家族让 Robert Floyd Curl、Harold Kroto 和 Richard Errett Smalley 三人分享了 1996 年的诺贝尔化学奖。

而后,人们又发现了几厘米长,直径在 1 纳米左右,由碳原子组成的管状结构——碳纳米管。接下来,就是让人耳熟能详的石墨烯了,2010 年的诺贝尔物理学奖就颁给了曼彻斯特大学的两位物理学家 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov,以表彰他们对石墨烯研究做出的贡献。今年 8 月,科学家首次合成出一个由 18 个原子组成的环状纯碳分子,成为了今年科学史上的一次重大事件。

说回石墨烯,随着一年多前麻省理工学院研究人员实现了石墨烯叠层的"神奇角度",震惊了整个物理学世界。科学家们证明了双分子层石墨烯(一种由两层原子厚度的碳轻微扭曲而成的材料)可以表现出超导和绝缘的交替结构,被称为"魔角"双层石墨烯的概念顿时大火起来,相关研究"抄着近路",接二连三地登上 Science、Nature 等顶级期刊。

而最近,由中国、美国和日本科学家们共同完成的一项研究表明,"魔角"双层石墨烯的超导性可以通过一个很小的电压变化来开启或关闭,这增加了其超导性在电子设备中的用途。该研究发表在了最近一期的 Nature 杂志上,研究负责人之一、得克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家 Allan MacDonald 表示:"创造出一种室温下具有超导性的材料,可以说是物理学的圣杯。所以这就是该研究的部分动机——为了更好地理解高温超导性。"

图 | 论文名称与作者(来源:Nature 网站)

在偶然间发现的超导性

最早在 2011 年,Allan MacDonald 利用量子数学和计算机建模来研究二维材料,结果发现了一个意想不到的现象。他与博士后研究员 Rafi Bistritzer 一起,着力于建立简单而精确的模型,以便研究电子在堆叠的二维材料中,当一层相对于另一层稍微扭曲时,电子的行为将如何。MacDonald 认为,这个看似不可能依靠计算解决的问题,只要把注意力集中在系统中的一个关键参数上,可能就会大大简化研究过程。

MacDonald 和 Bistritzer 所采用的策略之后被证明是成功的。他们惊喜地预测,当其方法应用于双层石墨烯这个系统,把扭转的角度设定在一个非常具体的、约为 1.1 度时,电子的表现会变得极为特殊,移动速度突然慢了 100 多倍。他们还把 1.1 度称为"魔法角度"

但在当时,这种情况为什么会出现?这对科学到底意味着什么?可能需要很多年的时间才能够发现。同样也因为这个结果看起来太不寻常,令人难以置信,该发现在短期内很大程度上被学界所忽视。除此之外,用这种二维薄片的精确位置来创建这样一个系统的物理示例,这在物理上基本也是不可能实现的。

但并不是所有人都对 MacDonald 的研究结果表示怀疑或者不在意。世界各地的一些实验主义者注意到了他发表在《美国国家科学院院刊》(the Proceedings of the National Academy of Sciences)上的预测,并决定去追求这个"魔角"。

当麻省理工学院的物理学家 Pablo Jarillo-Herrero 带领他的研究团队在 2018 年首次创造出一种扭曲为 1.1 度的层状石墨烯体系时,他们把石墨烯又推向了一个新的高度。研究发现,正如 MacDonald 所预测的那样,该体系表现出了非凡的特性,可以在原子尺度设计得到"莫尔条纹",实现绝缘体到超导体之间的转变,这为高温超导的研究带来了新的曙光。

这项研究的第一作者,是中科大少年班的毕业生、麻省理工学院在读博士生曹原。他也因此成为了 Nature 杂志发布的 2018 年度影响世界的十大科学人物之一。石墨烯的"魔角"也登上 Nature 杂志的十大人物特刊的封面图。

图 | 2018 年的 Nature 杂志十大人物封面图(来源:Nature)

但当时对于电子为什么会突然减速,MacDonald 没有给出相对简单明确的解释。而在今年早些时候,多亏哈佛大学教授 Mathias S. Scheurer 以及相关研究人员们的工作,给出了与基本粒子物理学中经常研究的模型相关的部分解释,该研究发表在了今年 7 月底的 Nature杂志上。而且,在同一期 Nature 杂志上,连发了 3 篇对"魔角"石墨烯进行研究的论文,并配了 1 篇 NEWS AND VIEWS 的专业解读,加上 arXiv 预印本上早先的一篇文章,"魔角"石墨烯在 Nature上完成了"四连超凡"。

这 4 项研究均使用扫描隧道显微镜(STM)来测量原子级结构和电子能量分布。研究人员通过 STM 的导电针尖扫描样品,根据所施加的电压是正或负,电子从针尖隧穿到样品,或者从样品隧穿到针尖,其所得到的电流随针尖位置的变化对样品的形貌进行编码。电流随电压变化,代表了样品状态局部密度——在给定能量下电子可以占据的量子态数量。

利用STM 技术,研究人员可以让"魔角"石墨烯中的莫尔条纹变得可视化,从而可以通过观察不同方向的条纹间距的变化,来量化系统中的应变量。该方法还揭示了双层石墨烯耦合而产生的碳原子的空间重排。这些细节对于科学家来准确理解电子的能带结构十分重要,也是精确建模绝缘和超导相的必备开端。

研究人员还发现,态密度与有多少电子占据扁平带紧密相关。尤其是在低能量情况下,态密度受到和电子浓度相关的抑制,这一发现确立了电子特性与电子传输之间的直接联系。但是,在不同层状的二维材料中还有很多相关的效果,扭曲的双层石墨烯只是其中的一个小缩影。

超导材料没有电阻,可以让电子无休止地运动而不耗散能量。它们被广泛应用于量子计算领域——如果不是因为需要昂贵的制冷设备,它们可能会完全改变电力传输的规则。

超导性早在 1911 年被人们首次发现,这在许多材料中都有记载。然而,其一直都需要极低的温度来保持这种独有的特性。但"魔角"的发现,可能会改变这一现状,它已经为超导研究开拓出一个新的子领域——"转角电子学"(twistronicic),极有望推动超导技术的进一步发展。

"转角电子学"(twistronicic)刚一登场,就迅速取代了石墨烯的"C 位"。因为材料的电子行为可能取决于石墨烯所放置的材料,目前通常是用氮化硼,尝试其他材料或配置可能会产生不同的结果。科学家们已经着手研究三层石墨烯,以及多种其他的二维材料。哈佛大学教授表示:"这或许仅仅是一个开始。"

图 | 用扫描隧道显微镜(STM)来测量原子级结构和电子能量分布(来源:Nature

十年潜心研究

自从 2004 年 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 在曼彻斯特大学发现石墨烯之后,Allan MacDonald 就一直对这些神奇的二维系统及其可能包含的新物理学理论而着迷。他几乎是在得知石墨烯被发现后的瞬间,就立刻开始研究这种材料。从 2004 年开始,他就利用得州高级计算中心(TACC)的超级计算机来探索石墨烯和其他二维材料的电子结构。

MacDonald 对外曾表示:"我的工作就是预测以前从未出现过的不寻常现象,或者试图去解释人们还没有很好理解的现象。通常我会被直接与现实中所发生的事情相联系的理论所吸引,尤其对用数学和理论来描述现实世界的力量感兴趣。"

层状二维材料的奇怪特性似乎与相互作用(interactions)有关。当电子减速时,相互作用变得更加重要,从而在单个电子之间产生很强的关联性。通常情况下,电子在原子轨道中基本都是分别围绕着原子核旋转的,从而进入能量最低的量子态。但"魔角"石墨烯似乎并不是这样。

MacDonald 对此认为:基本上,当电子以原子中最低能量轨道的方式安排自己时,不会发生什么有趣的事。但一旦电子之间的相互作用改变了它们的命运,有趣的事情就会发生。而且,人们不可能看到"电子运动"。测量会提供线索,但结果是间接的,而且常常与直觉相反。MacDonald 因此认为,计算机模型可以帮助人们进一步了解限制电子的新情况。

"代表经典电子结构的计算机模型在大多数情况下都发展得很好,而且精度很高,但它们需要在面对异质结的怪异物理特性时进行调整。"MacDonald 说道。

改变这些因素,就意味着要重新编写当前的模型来反映强相互作用电子的行为,这是 MacDonald 和他实验室研究人员目前正在进行的一项任务,使用 TACC 的 Stampede2 超级计算机(世界上最强大的超级计算机之一)来测试模型和运行模拟。此外,为了准确地复制世界各地实验室,比如麻省理工学院去年的实验结果,必须要包含越来越多的电子。

"真实的系统有着数十亿电子,"MacDonald 解释道,"随着电子数量的不断增加,这会很快地超过任何计算机的能力范围。因此,我们正在使用的方法之一,是由来自波兰的访客学者 Pawel potasz 领导的工作——解决电子数量少的问题,并将其推断为大量电子的行为。"

图 | 整数填充相关状态和新的超导圆顶-Integer-filling correlated states and new superconducting domes(来源:MacDonald,Nature 论文)

让"魔角"伸入更多领域

在致力于重新设计电子结构模型并将其扩展到更大数量规模电子的同时,MacDonald 仍然会拿出时间来和世界各地的实验组进行合作,把他的理论和计算见解加入到各个实验团队的发现中。

在他预测出"魔角"之后的许多年里,如何创造具有精确旋转角度的纯二维分层材料的现实操作难度,极大地限制了这一领域的发展。但在 2016 年,得克萨斯大学的另一位研究员 Emanuel Tutuc 和他的研究生 Kyounghwan Kim 开发出一种可靠的创建方法,不仅能用在石墨烯领域,还可以应用于许多不同种类的二维材料上。

Emanuel Tutuc 说:"这个突破实际上是我的学生介绍的一种技术,它包括取一个大的层,把它分成两部分,然后取一个部分放在另一个的上面。"以前难以实现的原因是很难捡起一个微米级别厚度的原子材料。Kyounghwan Kim 发明了一种粘性的半球形把手,可以粘起一个原子,而不损坏其他东西。

这样一来,扭曲双层二维材料的扭转角度变得拥有无限可能。近年来,MacDonald 及其研究团队已经探索了 3 层、4 层,甚至 5 层的石墨烯,以及其他有潜力的材料,尤其是过渡金属硫族化合物。以便寻找出不寻常的、可能有用的现象。

MacDonald、Tutuc、得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家 Elaine Li 与一个大型国际团队一起,在 2019 年 2 月的 Nature 杂志上发表了一篇文章,描述了在具有小扭转角的二烯化钼/二烯化钨(MoSe2/WSe2)异动层中观察到的间接激子。

激子是由电子和空穴组成的准粒子,它们相互吸引并相互固定,通常存在于单一层中。然而,对于某些二维材料,它们可能存在于不同的层上,这就大大增加了它们存在的时间。这可能会产生超流体,即液体的不受阻碍的流动——这种特性以前只在液氦中出现过。

现在,MacDonald 和一组来自西班牙、中国和日本的研究人员共同发现"魔角"石墨烯在超导阶段,可以通过一个小的电压变化来决定超导性的打开或关闭。类似于集成电路中使用的电压,这提高了电子设备的实用性。为了实现这一结果,来自加泰罗尼亚光学物理研究所的研究人员制造出了比以前更为均匀扭曲的石墨烯超晶格。在此过程中,他们发现交错绝缘和超导态的模式比预测的还要复杂。

TACC 超级计算机是 MacDonald 进行研究的重要工具,在最近的 Nature杂志论文中,它被用于数据的理论建模。MacDonald 断言:"我们所做的许多事情,如果没有高性能计算机是无法完成的。刚开始我们在普通电脑上运行,但很快就陷入了困境。因此,使用超级计算机是能够得到满意答案和不能得到满意答案之间的最大区别。"

虽然计算实验的结果似乎不像实验室里的那样直接或者"真实",但 MacDonald 指出,这些结果可以揭示探索的新途径,有助于阐明超导性等神秘特性的奥秘。

"让我的工作充满活力的是,大自然总是会带来新的问题。当你发现一个新类型的问题时,事先完全不知道答案是什么。"MacDonald 说,"科学研究是一种冒险,一次社区冒险,或是一次集体的随机漫步。通过它,知识得以不断前进。"

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