魔角石墨烯的又一惊人发现
石墨烯是一种由碳原子构成的超薄材料，其原子以类似细铁丝网围栏那样的六边形模式相连接。而魔角石墨烯则特指石墨烯的一种非常特殊的堆叠。
当一片石墨烯以某种精确的“魔法”角度堆叠在第二片石墨烯上时，这种扭转的结构会产生一种略微偏移的摩尔纹，或者说超晶格，能够支持一系列惊人的电子行为。
2018年，物理学家巴勃罗·贾里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）和团队首次展示了魔角扭转的双层石墨烯。他们发现，当施加一定的连续电场时，新的双层结构可以表现为绝缘体。当电场提高时，绝缘体又会突然变成超导体，允许电子没有摩擦地流动。
这一发现也成了“扭转电子学”领域的一道分水岭，它探讨了某些电子特性是如何从二维材料的扭转和分层中产生的。
自此，物理学家一直不断在发现魔角石墨烯的更多惊人特性，比如在不同电子态之间切换材料的各种方法。到目前为止，这种“开关”的作用更像灯的调光器，因为研究人员必须不断施加电场或磁场，来开启超导性，并让它保持开启的状态。
现在，贾里洛-埃雷罗和团队在《自然·纳米技术》上发表了一项新的研究，表明不需要用到连续的电场，只需一个短脉冲，就可以让魔角石墨烯中的超导性像灯的开关一样，被开启并维持下去。他们发现，关键就是在于扭转和堆叠的结合。
拨动开关
2019年，斯坦福大学的一组团队发现，魔角石墨烯可以被强制进入铁磁态，也就是即使在没有外部施加磁场的情况下也能保持磁性。
研究人员发现，魔角石墨烯能以一种可调节的开和关的方式，表现出铁磁特征。当石墨烯片被分层放在两片氮化硼之间，石墨烯的晶体结构与其中一个氮化硼层对齐时，就会发生这种情况。
这种排列方式就好像奶酪三明治，其中顶部的面包片和奶酪的方向是一致的，但底部的面包片相对于顶部的面包片旋转了一个随机的角度。这样的结果引起了研究团队的兴趣。他们开始尝试将两片面包对齐，以此获得更强的磁力。但相反，他们发现了截然不同的东西。
在新研究中，团队便制作了这样一个精心设计过的扭转和堆叠的材料组成的三明治。
一个中间有两个石墨烯层（深灰色及插图）的装置。石墨烯层被夹在氮化硼层（蓝色和紫色）之间。每层的扭转角度和排列的精确组合，让研究人员能够用一个短的电脉冲开启并关闭超导性。（图／MIT）
这个三明治的“奶酪”由魔角石墨烯组成，也就是两片石墨烯，上面一片相对于下面一片略微扭转了1.1度的“魔法”角度。在这个结构上方，他们放置了第一层氮化硼，与顶部的石墨烯片完全对齐。最后，他们在整个结构下方放置了第二层氮化硼，并将它相对于顶部的氮化硼层偏转了30度。
接着，团队在施加门电压的同时测量了石墨烯层的电阻。他们发现，正如其他研究人员发现的那样，扭转的双层石墨烯切换了电子态，在某些已知的电压下在绝缘、导电和超导态之间变化。
出乎团队意料的是，每一种电子态都持续存在，而不是说一旦电压被移开就立即消失了。这种特性被称为双稳性。他们发现，在一种特定电压下，石墨烯层变成了超导体，即使研究人员移除电压，它也保持着超导态。
另一种工具
研究人员介绍，对绝大多数材料来说，如果你移开电场，电子态就消失了。这是第一次制造出一种可以用电开启和关闭的超导材料。这是在为更快、更小、更节能的电子产品开发材料时可以考虑的另一种工具，可能为新一代基于石墨烯的扭转超导电子产品铺平道路。
比如，人们正试图建造电子设备，以一种受大脑启发的方式进行计算。在大脑中，我们有神经元，超过一定的阈值，它们就会启动。类似地，科学家现在已经找到了一种方法，让魔角石墨烯在超过一定阈值时突然切换超导性。这是实现神经形态计算的一个关键属性。未来，科学家有望借此开发那种用于神经形态设备的超快、高能效的超导晶体管。
目前还不清楚的是，究竟什么因素促成了这种可切换的超导性。研究人员怀疑，这与扭转的石墨烯与两个氮化硼层的特殊排列有关，这让系统具有类似铁电的反应，而铁电材料恰恰可以在电性能中展示出双稳性。这也是未来继续探索的方向之一。
#创作团队：
编译：Gaviota
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.mit.edu/2023/study-superconductivity-switches-and-magic-angle-graphene-0130
#图片来源：
封面图：MIT News
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