以「魔角」相疊的石墨烯驚現雙重身分,身兼絕緣體與超導體

作者 | 發布日期 2018 年 03 月 09 日 12:03 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

神奇材料石墨烯又帶來奇蹟特性!當科學家將兩層石墨烯片相疊並旋轉 1.1 度時,意外發現石墨烯成為絕緣體,但當科學家額外添加電子之後,石墨烯又搖身一變成零電阻超導體,雙重身分轉換好不自在!



自從 2004 年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈‧海姆和康斯坦丁‧諾沃肖洛夫,成功實驗從石墨中分離出石墨烯後,石墨烯就開始不斷刷新各項極限值,比如它是目前世上最薄卻最堅硬的奈米材料(比鋼還要強幾百倍),也是目前世上電阻率最小的材料(約 10-6 Ω·cm,導電性比銅更強)。

而現在,由麻省理工學院、哈佛大學與日本國家物質材料研究機構(National Institute for Materials Science)專家組成的團隊,將兩層石墨烯片以 1.1 度的「魔角」(magic angle)堆疊,使蜂巢般的原子網格稍微交錯,接著添加電子,意外發現這種材料竟帶來「奇蹟」特性:既是絕緣體(電荷不能通過材料),也是科學家夢想中零電阻的超導體(電子可以在沒有電阻的情況下穿過材料)。

研究人員嘗試過旋轉各種角度,但只有以 1.1 度旋轉相疊的石墨烯片其六邊形蜂巢晶格形成精確摩爾結構(moiré configuration),就像莫特絕緣體(Mott insulator)一樣,石墨烯片間的電子出現強烈靜電相互作用,相互排斥而無法流動;而當研究人員添加額外電子與原本敵不動我不動的電子結合後,電子竟突破初始絕緣狀態並零電阻流動,就像超導體一樣。

▲ 研究人員調整石墨烯片相疊角度,並找到 1.1 度「魔角」。

雖然去年科學家也能藉由摻雜其他材料來合成石墨烯超導體(在兩層石墨烯片中間插入鈣原子),但這一次,新團隊找到的是完全不依賴其他材料、又能身兼絕緣體的「純石墨烯超導體」。

團隊在《自然》期刊連發兩篇論文,這次研究還有另一個原因令人如此興奮,是因為它可能是開發能於室溫下工作的超導體關鍵。大多數超導體只能在接近絕對零度的溫度發揮零電阻特性,科學家一直致力於尋求提高超導材料的臨界溫度,目前高溫超導體的最高溫度紀錄是馬克普朗克研究所的 203K(-70°C)。

如果超導體能在室溫發揮功力,將大幅減少冷卻成本,醫療技術、電網、消費性電子產品等變得更高效,潛力相當無比。

(首圖來源:麻省理工學院