当以“魔角(当两层石墨烯片以 1.1 度堆叠时，会使得石墨烯片具有完全相反的特性)”旋转时，石墨烯片可以形成绝缘体或超导体。

来源：麻省理工

    麻省理工学院和哈佛大学的物理学家们发现，一种像蜂窝状的碳原子薄片--石墨烯，可以在两个极端的电极间表现出两种特性:一是可以作为绝缘体，从而使得电子完全不能流动;另外一个则是作为超导体，电流可以无电阻的流动。

    很难相信，单一物质也可以用石墨烯那样的最高级来描述。 2004年以来，科学家们发现，花边，类似蜂窝状的碳原子片(基本上是你可以想象的铅笔铅的最微观的表征)，这不仅是世界上最薄的材料，且质量轻、活度大，强度是钢铁材料的几百倍，导电能力也远超于铜材料。

    近期麻省理工学院和哈佛大学的物理学家发现这种“超级”材料，其居然可以具有更加令人难以置信的导电能力。 在Nature上今天发表在的两篇论文中，研究小组报告说，它可以调整石墨烯为在两个极端点的行为：一可以有效阻止电子运动，这样可以成为一个绝缘体；二可以是电子运动阻力降低到最小，这样便成为一种超导体。

    该研究团队曾经的研究人员已经能够通过将石墨烯材料与其他超导金属接触来合成石墨烯超导体，从而可以使得石墨烯具有超导特性。该团队这次发现了一种独立完成石墨烯超导材料的制作方法，这表明超导性可以作为碳基材料的一种内在固有属性。

    物理学家们通过创建两个不精确地相互叠在一起的石墨烯薄片来实现这一点，以1.1度的“魔角”旋转。结果，非常奇怪的是，这种重叠形成的六边形蜂窝模式略有偏移，创造一个精确的摩尔结构，预计会导致石墨烯片中电子之间出现奇怪的“强相关的相互作用”。在任何其他堆叠结构中，石墨烯倾向于保持不同，很少以电子方式或以其他方式与相邻层进行交互。

    以Pablo Jarillo Herrero为首的一个麻省理工大学的副教授，发现在魔角旋转时，两片石墨烯具有不导电的行为，类似于莫特绝缘体。当研究人员施加电压，向石墨烯超晶格中添加少量电子时，他们发现，在一定的水平上，电子从最初的绝缘状态破裂，没有电阻，就像通过超导体一样。

    Jarillo-Herrero说“现在我们可以利用石墨烯来作为一个新的突破传统超导性材料的平台，你可以发挥你的想象，利用石墨烯制作一个可控制的超导晶体管，通过转换开关，使其有超导变为绝缘体，这为量子器件提供了许多可能性。“

   30年的能隙

    材料的导电能力通常以能带表示， 单一波段表示材料电子可以具有的一系列能量。 能带之间有很多能隙，当一个能量带饱和后，下一个电子必须具有更大的能量来克服这种阻力，来占据下一个能量带。

    如果最后一个能量带完全充满着电子，那么这个材料就被认为是绝缘体，另一方面，比如一些像金属之类的导体就会有空余的能量带，这些空余的能量带就可以保证其他电子可以通过这里进行移动。

    然而，莫特绝缘体(Mott insulators)是从它们的能带结构表现出导电特性的一类材料，但是当测量其导电特性时，结果表明其为绝缘体。也就是说，这种材料的能带处于半饱和状态，由于电子之间的强烈的静电相互作用(例如等号相互排斥的电荷)，材料不导电。 半填充带基本上分裂成一个电子饱和，另一个空位饱和的两个微小的几乎平坦的带，从而表现为绝缘体。

    Jarillo-Herrero解释说：“这就意味着所有的电子都受到一定的阻力，所以由于电子之间的这种很强的相互作用导致它成为绝缘体。任何电子都不能够克服这种阻力。而为什么莫特绝缘体这么重要呢？这表明大多数的高温超导体的母体化合物都是莫特绝缘体。”

    换句话说，科学家们已经发现了控制电子特性的方法。莫特绝缘体在相对高温的情况下可以转变为超导体，为了证明这一理论假设，他们用氧气对材料进行化学“掺杂”，其原子将电子从莫特绝缘体中吸引出来，为剩余电子流动留下更多空间。 当添加足够的氧气时，绝缘体变成超导体。 Jarillo-Herrero说，这种转变究竟如何发生，已经是一个30年的谜团。

    Jarillo-Herrero说：“这是一个三十年来从未解决的问题，这些高温超导体在研究过程中已经超过了它们的使用寿命，这些材料展现了很多有趣的行为，但是我们仍然不知道如何解释这些现象。”

    准确的转动

    Jarillo-Herrero和他的同事寻找了一个更简单的平台来研究这种非常规物理学。 在研究石墨烯的电子属性时，团队开始玩弄简单的石墨烯片堆栈。 研究人员首先通过从石墨中剥离单片石墨烯，然后小心地用涂有粘性聚合物和氮化硼绝缘材料的载玻片小心地拾取一半薄片，从而制成了两片超晶格。

    然后他们轻轻地转动玻璃片，拿起了石墨薄片的第二部分，贴在前半部分上。这样，他们创造了一个超晶格的偏移图案，这是截然不同的石墨烯的原始蜂窝晶格。

    该小组重复了这个实验，创造了几个“装置”，或者石墨烯超晶格，具有不同的旋转角度，在0度到3度之间。他们将电极连接到每一个器件上，测量电流通过，然后绘制出器件的电阻，给定电流通过的数量。

    Jarillo Herrero说：“如果你旋转的角度是0.2度，这些物理现象都不会出现。也就没有超导或莫特绝缘体，所以旋转的角度一定要精准。

    研究人员发现旋转角为1.1度时被称为一个“魔角”，石墨烯超晶格电子类似扁平带结构，类似于莫特绝缘体，其中所有的电子无论其动量如何都会携带相同的能量。

    jarillo-herrero说：“想象一下汽车的动量是质量乘以速度，如果你以每小时30英里的速度行驶，你会有一定量的动能。如果你以每小时60英里的速度开车，你的能量就会更高，如果你撞车了，你就可以变形一个大得多的物体。这是说，不管你走的是30还是60或100英里每小时，它们都有相同的能量。”

    自由导电

    对于电子来说这意味着尽管他们正占据着一个半饱和的能量带，其中一个电子不具有更大的能量使其自己移动到下一个能量带，因此尽管这种半饱和的能量带结构理论上应该展现出一个导体的特性，但是它成为了绝缘体，更准确的说是莫特绝缘体。

    这就给这个团队一个想法：“如果他们能将电子加入到这些类似于莫特超级晶格中，类似于科学家们如何将其掺杂在一起，使其变成超导体？石墨烯是否会反过来成为超导特性呢？

    为了验证这种假设，他们在“魔角石墨烯超晶格”上施加了一个小的门电压，在结构上增加了少量的电子。结果表明，单个的电子与石墨烯的其他电子结合在一起，使它们能够在不可能的地方流动。在整个过程中，研究人员继续测量材料的电阻，发现当他们增加了一定数量的电子时，电流就会流动而不会消耗能量——就像超导体一样。

    jarillo-herrero说：“你可以让电子在不损失任何能量的情况下自由流动，这表明石墨烯可以是超导体，也许更重要的是，他说研究人员能够将石墨烯作为绝缘体或超导体进行调节，并且在任何一个阶段，在一个设备中展示所有这些不同的特性。这与其他的方法形成了鲜明的对比，在这种方法中，科学家们不得不种植和操纵数百种不同的晶体，每一种晶体都可以在一个电子相中表现。

    Jarillo-herrero说：“通常，你必须利用不同级别的材料来测试其不同相的情况。我们在一台纯碳设备中一次就地完成了这一工作。我们可以在一个设备中以电的方式探索所有这些物理，而不必制造数百个设备。那并不会变得更简单。”

    这项研究得到了Gordon和Betty Moore基金会以及其他国家科学基金会的支持。