青年曹原又一最新研究!或推动 “魔角” 石墨烯在低温电路、量子计算、电磁感应等方面的潜力应用

2021
05/04

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 “五四青年节”这一天,知名青年学者、如今 25 岁就已经开辟了一个全新学术研究领域并屡有突破的曹原

作者:李奇 编审:寇建超

排版:王落尘


说到曹原,就离不开石墨烯和那个神奇的角度。


在 “五四青年节”这一天,知名青年学者、如今 25 岁就已经开辟了一个全新学术研究领域并屡有突破的曹原,在 4 月接连于 Nature 和 Science 发表文章之后,又在 Nature 子刊 Nature nanotechnology 上发表了一篇文章。


此次发表的这篇文章研究了 “魔角石墨烯隧穿器件中所展现的高度可调节性及非局部约瑟夫森效应”Highly tunable junctions and non-local Josephson effect in magic-angle graphene tunnelling devices),该研究主要由麻省理工学院物理系的曹原、Daniel Rodan-Legrain 和 Jeong Min Park 三人共同完成,同时也有来自日本国立材料研究所的研究人员参与。


(来源:Nature nanotechnology


“魔角扭曲双层石墨烯”(Magic-angle twisted bilayer graphene,MATBG)作为一种具有高度可操控调节属性的二维材料平台,具有包括金属态、绝缘体态和超导态等多种相。而针对这些相的局部静电控制可以让之前无法在单一材料平台上实现的量子器件多用途操控成为可能。


在研究中,曹原与同组成员们在 MATBG 中设计了约瑟夫森结和仅由静电门定义的隧道晶体管。其设计的多门控制器件几何结构为弱链、屏障和隧道电极提供了独立控制,所观察到的现象与超薄超导体的 Pearl 理论一致。该研究推动了在单一材料中实现多种功能的探索,其设计的 MATBG 未来可以应用于石墨烯基可调谐超导量子位、片上超导电路和电磁传感等领域。


石墨烯与超导性的 “碰撞”


碳作为最为引人瞩目,也是存在于我们生活中超过九成已知物质中的元素,从早期的富勒烯、碳纳米管、碳纤维,到如今的石墨烯、碳链和石墨炔,其在科研领域每次突破都备受关注。对于石墨烯来说,早在 2010 年美国罗格斯大学的研究人员就发现了扭转两个堆叠的石墨烯层可以极大地改变材料的电子特性,并且最终实现对扭转角的精确控制。


2018 年,以麻省理工学院(MIT)的曹原和他导师、麻省理工学院的物理学家 Pablo Jarillo-Herrero 为代表的研究人员在 Nature 杂志上发表论文,展示了对堆叠的石墨烯进行旋转和充电后具有的超导性,这一发现震惊了整个物理学世界。同样也就是从那一年开始,这个神奇的角度被称为 “魔角”,引起了全世界各地研究者的关注,相关研究的文章也接二连三地登上各大顶级学术期刊曹原也因此成为了焦点人物,后续文章同样发表不断。


图|曹原


石墨烯是只由一层碳原子所组成的二维材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈・海姆(Andre Geim)和康斯坦丁・诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)用胶带将其从层状结构的石墨中 “粘” 了出来,并在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,在 2010 年也因此获得了诺贝尔物理学奖。


随后越来越多的人们投入到该领域进行研究,石墨烯的制备方法也越发多起来,包括氧化还原法、取向附生法、SiC 外延生长法、化学气相沉淀法(CVD)等诸多物理化学制备手段。随着制备的难度与成本下降,石墨烯所具有的完美狄拉克锥形能带结构让其会在材料制备和器件构造上具备极大的应用优势,被广泛认为是 “未来最有可能代替硅” 的半导体器件材料之一。此外,石墨烯还拥有良好的热传导与光学性能,可以生成多种相关化合物;也正是因为如此多的潜在可能,让其成为了材料研究和凝聚态物理研究的前沿焦点。


而另一方面,人们始终致力于研究减少电力传输的能源损耗问题。1911 年荷兰物理学家、低温物理学奠基人海克・卡末林・昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)发现了超导现象 —— 指材料在低于某一温度时,电阻变为零的现象,而这一温度称为超导转变温度(Tc)。他本人也因此获得了诺贝尔物理学奖,并被成为 “绝对零度先生”。但在现实世界中,绝对零度(-273℃)是基本不可能出现并应用的,因此这一科研成果始终难以付诸实践。


科学家们便着手投入到 “高温超导” 的研究中,石墨烯中具有极高迁移率的电子,使其拥有可以像超导体中实现两两配对电子的可能,就让人看到了潜在的实现高温超导、甚至是室温超导的希望。早在 2011 年,美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的教授艾伦・麦克唐纳 Allan MacDonald 和他的博士后学生拉菲・比斯特里斯特(Rafi Bistritzer)利用量子数学和计算机建模研究二维材料是预测,在堆叠的二维材料中,当一层相对于另一层稍微扭曲时,尤其是在大约 1.1 度时,电子的表现会变得极为特殊。


图|二维材料中的 “转角电子学”(twistronics)

但当时这个预测并没有在科学家激发多少浪花,一方面因为这个结果看起来有些难以置信,另一方面则是用二维薄片来构建一个如此精确位置的系统也十分困难。

当 Pablo Jarillo-Herrero 在 2018 年带领实验室成员首次创造出扭曲为 1.1 度的层状石墨烯体系时,他们把研究推向了一个新的高度。“魔角扭曲双层石墨烯” 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;有了 “魔角” 石墨烯结构之后,还可以通过门电压调控技术来连续改变其载流子。这为高温超导的研究带来了全新的曙光。

未来前景如何?

曹原作为 Pablo Jarillo-Herrero 的学生,也是 2018 年 “魔角扭曲双层石墨烯” 研究的第一作者,被《自然》杂志评选为了 2018 年度影响世界的十大科学人物之一,并在年度文章中给曹原如此高的评价:“开创了一个全新研究领域的杰出科学家。”

除此之外,2020 年沃尔夫物理学奖颁发给 Pablo Jarillo-Herrer 和得克萨斯州大学奥斯汀分校的教授 Allan H. MacDonald 和 Rafi Bistritzer,以奖励他们对 “扭曲双层石墨烯” 方面的理论与实验研究所做出的突破。沃尔夫物理学奖在全球普遍被认为是除了诺贝尔物理学奖以外,物理学界最重要的奖项之一;有时也起到之后诺贝尔物理学奖 “风向标” 的作用。因此,“魔角扭曲双层石墨烯” 的研究拥有的前景是十分可观且空间广阔的。

曹原及其实验室同事的这次研究,主要是对隧道器件设计和约瑟夫森效应的一次验证与探索。 电流需要电压才能产生,是我们从中学物理学到的欧姆定律相关知识。但在一切皆有可能的 “超导领域” 里,有一种 “约瑟夫森结” 的构造可以无视欧姆定律,无需电压便可产生 “超电流”。而这个效应是 1962 年正在英国剑桥大学攻读物理博士学位的约瑟夫森发现的,并因此获得了 1973 年诺贝尔物理学奖。

当时,约瑟夫森发现在两块厚度只有十分之几微米的合金超导体薄膜间夹上一层厚度在 10 埃左右的绝缘介质薄膜,组成 “超导体 + 绝缘体 + 超导体” 的 “三明治” 结构。当在超导薄膜两边加上电压时,电子便像有隧道一般能够从绝缘介质层轻松穿过,形成很小电流,而绝缘介质两端并没有电压。也就是电子可以通过两块超导体之间绝缘层的量子隧道效应。利用该效应可以制作诸多超导隧道器件,并且拥有控制速度快(大约比高速硅集成电路快几百倍)、功耗散热小、集成度高且与现行大规模集成电路相似等优势。

这也是当下人们为实现建设超导计算机而一直努力的器件研究方向,目前以约瑟夫森效应为基础制成的超导开关器件和超导存储器已有阶段性成果。曹原的这项研究则进一步推动了 “魔角扭曲双层石墨烯” 在低温电路、量子计算,以及电磁感应等方面应用的潜力探索与挖掘。诚然,当下更多的研究工作仍集中于理解 “扭曲” 材料的基本物理原理,但其所提供的见解对多领域科技的具有极大的潜在影响。

总而言之,曹原和他所发现的 “魔角” 石墨烯超导性,打开了一扇低维世界调控电子态的新大门,并将在未来给诸多相关的科技领域提供发展应用的无限可能。而 1996 年出生的他,也正是 “五四青年节” 里广大青年学生所需要学习的榜样。

参考文献:
https://www.nature.com/article s/s41565-021-00894-4
https://caoyuan.scripts.mit.edu/
http://blog.sciencenet.cn/blog-22926-1102935.html

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关键词:
约瑟夫森,石墨烯,超导体,曹原

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