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　　美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種石墨烯裝置，它比人類(lèi)頭發(fā)更薄，但具有特殊的特性。它可以輕松地從導(dǎo)電但不會(huì)損失任何能量的超導(dǎo)材料切換到阻止電流流動(dòng)的絕緣體，然后再轉(zhuǎn)換回超導(dǎo)體 - 所有這一切都只需輕輕一按開(kāi)關(guān)即可。他們的研究結(jié)果今天在“ 自然 ”雜志上發(fā)表。

　　“通常，當(dāng)有人想研究電子如何在超導(dǎo)量子相中與絕緣相相互作用時(shí)，他們需要查看不同的材料。通過(guò)我們的系統(tǒng)，您可以在一個(gè)系統(tǒng)中研究超導(dǎo)相和絕緣相。這項(xiàng)研究的主要作者和領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的王峰實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員郭國(guó)瑞說(shuō)。Wang是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的一名教師科學(xué)家，也是加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授。

　　石墨烯器件由三個(gè)原子級(jí)薄(2D)的石墨烯層組成。當(dāng)夾在2D氮化硼層之間時(shí)，它形成稱(chēng)為莫爾超晶格的重復(fù)圖案。這種材料可以幫助其他科學(xué)家了解被稱(chēng)為高溫超導(dǎo)的現(xiàn)象背后的復(fù)雜機(jī)制，其中一種材料可以在高于預(yù)期的溫度下無(wú)阻力地導(dǎo)電，但仍然低于冰點(diǎn)數(shù)百度。

　　在之前的一項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告了在由三層石墨烯制成的器件中觀察Mott絕緣體的特性。莫特絕緣體是一類(lèi)材料，盡管經(jīng)典理論預(yù)測(cè)電導(dǎo)率，但它會(huì)以某種方式停止在低于冰點(diǎn)數(shù)百度的地方導(dǎo)電。但是長(zhǎng)期以來(lái)人們一直認(rèn)為莫特絕緣體可以通過(guò)添加更多的電子或正電荷來(lái)超導(dǎo)，以使其具有超導(dǎo)性，Chen解釋說(shuō)。

　　在過(guò)去的十年中，研究人員一直在研究如何將不同的二維材料結(jié)合起來(lái)，通常從石墨烯開(kāi)始 - 石墨烯是一種以高效傳導(dǎo)熱量和電能的方式而聞名的材料。在這項(xiàng)工作中，其他研究人員發(fā)現(xiàn)，用石墨烯形成的莫爾超晶格表現(xiàn)出奇異的物理特性，例如當(dāng)層以正確的角度排列時(shí)的超導(dǎo)性。

　　“因此，對(duì)于這項(xiàng)研究，我們問(wèn)自己，'如果我們的三層石墨烯系統(tǒng)是莫特絕緣體，它還能成為超導(dǎo)體嗎?'”陳說(shuō)。

　　與斯坦福大學(xué)的David Goldhaber-Gordon和SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室斯坦福材料與能源科學(xué)研究所以及復(fù)旦大學(xué)張?jiān)ê献?，研究人員使用稀釋冰箱，可以達(dá)到40毫克的極冷溫度 - 或者陳先生表示，將石墨烯/氮化硼器件降溫至研究人員預(yù)期超導(dǎo)電性出現(xiàn)在莫特絕緣體相附近的溫度，接近零下460華氏度。

　　一旦設(shè)備達(dá)到4開(kāi)爾文(零下452華氏度)的溫度，研究人員就會(huì)在設(shè)備的微小頂部和底部門(mén)上施加一系列電壓。正如他們所預(yù)料的那樣，當(dāng)他們向頂部和底部柵極施加高垂直電場(chǎng)時(shí)，電子填充石墨烯/氮化硼器件的每個(gè)單元。這導(dǎo)致電子穩(wěn)定并保持在原位，電子的這種“定位”將器件轉(zhuǎn)變?yōu)槟亟^緣體。

　　然后，他們向門(mén)施加更高的電壓。令他們高興的是，第二次閱讀表明電子不再穩(wěn)定。相反，他們正在穿梭，從一個(gè)電池移動(dòng)到另一個(gè)電池，并在沒(méi)有損失或阻力的情況下導(dǎo)電。換句話(huà)說(shuō)，該器件已從Mott絕緣體相切換到超導(dǎo)體相。

　　Chen解釋說(shuō)，氮化硼莫爾超晶格以某種方式增加了當(dāng)電壓施加到器件時(shí)發(fā)生的電子 - 電子相互作用，這種效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其超導(dǎo)相。它也是可逆的 - 當(dāng)向柵極施加較低的電壓時(shí)，器件切換回絕緣狀態(tài)。

　　多任務(wù)處理設(shè)備為科學(xué)家提供了一個(gè)微小的多功能操場(chǎng)，用于研究奇異新型超導(dǎo)材料中原子和電子之間的精妙相互作用，可用于量子計(jì)算機(jī) - 存儲(chǔ)和操縱量子比特信息的計(jì)算機(jī)，通常是亞原子粒子，如電子或光子 - 以及新的莫特絕緣體材料，有朝一日可以為微電子制造微小的2D莫特晶體管。

　　“這個(gè)結(jié)果對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常令人興奮。我們從未想過(guò)石墨烯/氮化硼器件會(huì)做得很好，”陳說(shuō)。“你可以研究幾乎所有的東西，從單顆粒到超導(dǎo)。這是我研究新物理學(xué)的最佳系統(tǒng)，”陳說(shuō)。