石墨烯潜的量子潜力——同时具有超导、绝缘和磁性的神奇材料

图1.在二氧化硅/硅片上的石墨烯器件的光学图像。发光的金属丝连接到金电极上进行电测量。

伯克利实验室的科学家们发掘了石墨烯作为一种可电调谐超导体、绝缘体和磁性器件的潜在才能，以推动量子信息科学的发展。

自从石墨烯在2004年被发现以来，科学家们就一直在寻找将这种原子般薄的2D材料投入使用的方法。石墨烯比单链DNA还薄，但强度是钢的200倍，是电和热的优良导体，它可以符合任何形状，从超薄的2D薄片到电子电路。

去年，由伯克利实验室材料科学系的教授，加州大学伯克利分校的物理学教授王峰带领的一组研究人员开发了一种多任务石墨烯器件，该器件可以从有效导电的超导体切换到可抵抗电流的绝缘体。

如今，正如《自然》杂志今天所报道的，研究人员已经利用石墨烯系统的特性来同时兼顾超导、绝缘和一种称为铁磁性的磁性，而不仅仅是两种性质。多任务处理设备可能会使新的物理实验成为可能，比如对更快的新一代电子电路(如量子计算技术)的研究。

图2.纳米制造过程中夹在氮化硼层之间的三层石墨烯材料的光学图像(左)，以及带有金电极的三层石墨烯/氮化硼装置(右)。

到目前为止，同时显示超导、绝缘和磁性的材料非常罕见。大多数人认为石墨烯很难产生磁性，因为它通常没有磁性。我们的石墨烯系统是第一个将这三种特性结合在一个样品中的系统。

用电来打开石墨烯的潜在电势

石墨烯在电子领域有很大的潜力。其原子薄的结构，加上其强大的电子和导热性，可以在下一代电子和存储设备的开发中提供独特的优势。

问题是，如今用于电子产品的磁性材料是由铁磁性金属制成的，如铁或钴合金。铁磁性材料，像普通的条形磁铁，有一个北极和一个南极。当铁磁材料被用于在计算机硬盘上存储数据时，这些磁极点向上或向下，代表0和1——称为位。

然而，石墨烯不是由磁性金属制成的——它是由碳制成的。因此，科学家们想出了一个创造性的解决方案。

图3.三层石墨烯/氮化硼云纹超晶格的电子和铁磁性质说明

他们设计了一个超薄的装置，只有1纳米的厚度，有三层原子厚度的石墨烯。当夹在二维氮化硼层之间时，石墨烯层——在研究中称为三层石墨烯——形成一种重复的模式，称为莫尔超晶格。

通过在石墨烯器件的门上施加电压，来自电的力量刺激器件内的电子沿同一方向旋转，就像微型汽车在轨道上赛车一样。这产生了强大的动力，将石墨烯装置转化为铁磁系统。

更多的测量结果揭示了一组惊人的新特性：石墨烯系统内部不仅具有磁性，而且具有绝缘性；尽管有磁性，它的外边缘却变成了没有阻力的电流通道。研究人员说，这种特性是一类罕见的绝缘子，称为Chern绝缘子。

图4.双门控三层石墨烯/氮化硼装置原理图。插图显示了三层石墨烯与底层硼氮化层之间的云纹超晶格图案。

更令人惊讶的是，来自麻省理工学院的合著者张亚辉通过计算发现，石墨烯器件不仅只有一条导电边，而且还有两条导电边，这使其成为第一个被观察到的“高阶Chern绝缘体”，这是三层石墨烯中强电子-电子相互作用的结果。

科学家们一直在研究一种被称为拓扑的领域，即研究物质的奇异状态，以寻找Chern绝缘体。Chern绝缘体为在量子计算机中操作信息提供了潜在的新方法，在量子计算机中，数据存储在量子位上。量子位可以表示1、0，也可以表示同时为1和0的状态。

“我们的发现表明，石墨烯是研究不同物理的理想平台，从单粒子物理到超导性，现在又从拓扑物理到研究二维材料中物质的量子相，”陈说。“令人兴奋的是，我们现在可以在一个只有百万分之一毫米厚的微型设备中探索新的物理学。”

研究人员希望用他们的石墨烯装置进行更多的实验，以便更好地了解Chern绝缘体/磁铁是如何形成的，以及其不同寻常的特性背后的力学原理。

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