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石墨烯超导重大发现!中科大少年班校友Nature连发两文!

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2018年3月5日,Nature杂志连续刊登了麻省理工学院(MIT)Pablo Jarillo-Herrero和曹原的两篇文章,发表了其团队在石墨烯超导领域的重大发现。宾夕法尼亚大学的Eugene J. Mele专门发文对此进行评述。

Pablo Jarillo-Herrero(左)和Yuan Cao(右)

范德华异质结构是二元构筑单元垂直堆叠而成,在二维材料丰富的功能性基础上,可以实现更多的工程化操纵。其中一个方向,就是通过控制层间扭曲角度,来调控范德华异质结的电子结构。曹原所在团队在魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态,可以简单实现绝缘体到超导体的转变,打开了非常规超导体研究的大门。这项研究成果为超导研究带来了新思路,也为全新电学性能的探索和工程化提供了良好的研究平台。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/nature26160

https://www.nature.com/articles/nature26154

Nature杂志在2018年3月5日以背靠背的长文形式,在网站刊登了这项还没来得及排版的重大研究成果,并配以Eugene J. Mele的评述。

图1. 不同角度扭曲的双层石墨烯

Cao等人发现,堆叠的双层石墨烯中,电学行为对原子排列非常敏感,影响层间电子移动。对于物理学家而言,电学行为通常是由能量主导。而在这项研究中,单层石墨烯内原子间电子移动有关的能量在eV量级,而在层间的电子移动涉及的能量量级最多在几百meV。

要想解开这个谜题,对称性是关键!

对于结构高度有序的单层石墨烯而言,电学性能取决于对称性。研究人员制备了旋转扭曲的双层石墨烯,通过电子之间的相互作用来控制整个体系的电子态。旋转产生的位错使石墨烯层中的电子能带结构不再对齐,单胞变大。

图2.扭曲双层石墨烯中的电子能带结构

研究人员发现,扭曲的双层石墨烯会产生两种全新的电子态。一种电子态是Mott绝缘体态,来源于电子之间的强排斥作用。另一种是超导态,来源于电子之间的强吸引作用而产生零电阻。

当旋转角度小到魔角时(<1.05°),扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带,电子相互作用效应增项,从而产生非导电的Mott绝缘态。在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子,就可以成功转变为超导态。

图3. 石墨烯超晶格中的二维超导

这项研究成果,为超导研究带来了新思路,也为全新电学性能的探索和工程化提供了良好的研究平台!

曹原,1996年出生,2010年考入中国科学技术大学少年班,并入选严济慈物理英才班。他在校期间表现优异,2014年获中国科大毕业生最高荣誉郭沫若奖学金,之后赴MIT攻读博士学位。2016年,他在美国物理学会主办的高水平学术期刊PRL(Physical Review Letters)发表文章:Superlattice-induced insulating states and valley-protected orbits in twisted bilayer graphene,深获好评。

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