MIT曹原再领石墨烯新动向！后石墨烯转角电子学时代正式到来

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发布时间: 05-1420:15鲲鹏计划获奖作者,DeepTech深科技官方账号



“科学研究是一种冒险，一次社区冒险，或是一次集体的随机漫步。通过它，知识得以不断前进。” 得克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家艾伦麦克唐纳 （Allan MacDonald） 在接受媒体采访时表示。



正是这一次次 “冒险”，推动了科研成果的一次次进步，也带动了技术的不断发展。



近日，魔角石墨烯领域又有新动向！



继麻省理工学院（MIT）Pablo Jarillo-Herrero 教授实验室的博士后研究员曹原及团队 4 月份 16 天内在 Nature、Science“三连发” 后，5 月 4 日，该团队在魔角石墨烯领域的首篇 Nature Nanotechnology 发布，而距离上次的研究发表仅过去半个月。



本次研究以 《魔角石墨烯隧穿器件中所展现的高度可调节性及非局域性约瑟夫森效应》（“Highly tunable junctions and non-local Josephson effect in magic-angle graphene tunnelling devices”）为题。曹原、Daniel Rodan-Legrain和 Jeong Min Park为第一作者，由曹原、Daniel Rodan-Legrain和Pablo Jarillo-Herrero担任共同通讯作者。



图丨相关论文（来源：Nature Nanotechnology）



近几年，魔角石墨烯领域引起学界广泛关注，同时也有一些质疑，比如有人说石墨烯研究是眼花缭乱的 “乱象”。



对此，香港城市大学物理系教授李丹枫对 DeepTech 表示，有关魔角石墨烯领域是否存在 “乱象”，不应通过简单的调侃或是 “公说公有理、婆说婆有理” 的孤立研究回应。“要通过科学论证的方法，如严谨的科学辩论、可重复的实验探究等途径。那些所谓的‘过多的、令人眼花缭乱的石墨烯研究乱象’，恰恰是由缺乏严谨态度的研究和经不起推敲的结果引起的。”



李丹枫认为，曹原及团队研究成果的 “含金量” 是很高的，这得益于他们持之以恒的学术态度。因此，他们才会不断有新的研究成果，并且成为行业里的 “领头羊”。



新研究：实现隧道结作为 “能量势垒” 的直接调控



曹原及团队的这项研究，通过在魔角双层石墨烯 （MATBG） 系统中制备简单的双栅静电场调控器件，实现较宽范围内局域物性的调控，特别是对所展示的高质量约瑟夫森结 （JJs） 中作为 “能量势垒” 的直接调控，实现了以能带绝缘体、关联绝缘体、常态金属、超导体为 “中间层” 不同的“弱连接”效应约瑟夫森结器件。



“本次研究的创新点，是能进行单器件内独立调控约瑟夫森结各组分基态特性。该研究对超导的物理机制、探索超导体的应用均具有不可替代的价值。” 李丹枫说。



图丨器件A的结构和电子输运特性（来源：Nature Nanotechnology）

约瑟夫森效应是基于超导特性的一种宏观量子效应，体现了超导库伯对的量子隧穿效应。而实现约瑟夫森效应的器件基础，是约瑟夫森结。约瑟夫森结在量子科技与工程中有广泛的应用，其中包括高敏感度超导量子干涉磁强计，以及作为超导量子计算器件线路的基础元件。据了解，在超导体中实现超导电极和约瑟夫森结，并观测约瑟夫森效应是非常经典、重要的工作。



图丨魔角扭曲双层石墨烯约瑟夫逊结的非局部性和可调性（来源：Nature Nanotechnology）

“本次研究让人眼前一亮的是，这一体系可以仅仅通过改变静电压值以连续可调的模式，即可实现具有不同特质的约瑟夫森结结构。” 李丹枫说。



他认为，该研究完成了在单一高质量魔角旋转双层石墨烯器件中，通过静电场调控实现具有不同功能属性界面结构的目标。通过本次研究中所展示的几个介观物理器件的经典应用场景案例，再次体现了魔角旋转双层石墨烯这个特殊体系“结构简单，物理丰富” 的特点。



图丨平面二维和块体约瑟夫逊数据的比较（来源：Nature Nanotechnology）



该研究表明，石墨烯这个 “魔幻”“纯净” 的材料（体系）是观测各类量子物理现象的重要 “试验场”，并且可以方便、干净地实现以各类量子态和量子现象为基础的量子物理器件。



李丹枫认为，文章中图 1c 所示通过顶电极与底电极的独立控制而实现的“双向 ”约瑟夫森结电阻图是这篇文章的亮点，也是该研究之核心技术和核心理念的完美诠释。“如此干净、可控地实现受电压控制的不同类型约瑟夫森结的确是魔角石墨烯体系的‘独特之处’。”



图丨在魔角扭曲双层石墨烯中构建单电子晶体管（来源：Nature Nanotechnology）



李丹枫认为，该研究有两个重要的科学启发：



在较宽的性能可调范围的基础上，具有不同特性的约瑟夫森结的实现与测量为构建低温物理器件（特别用于量子计算）打下基础；

高质量平面隧道结的实现，开启了进一步系统、准确研究魔角石墨烯或其它旋转二维量子材料系统中超导序参量对称性这一重要物理问题的大门。“在这个竞争十分激烈的研究领域，无须时日，还会有更多采用高质量隧道结研究超导配对机制的成果发表出来。”李丹枫说。



图丨魔角扭曲双层石墨烯超导间隙的边缘隧穿谱（来源：Nature Nanotechnology）



从科学意义和物理概念的角度，本研究中所展示的高质量隧道结、约瑟夫森结以及单电子晶体管等器件可以用来作为未来低温电路设计、量子计算等方面基础元部件，并为未来量子器件开创全新的材料体系、打开全新的思路。



从实际应用的角度，目前基于魔角石墨烯的器件还有很长的路要走。李丹枫表示，如何将器件大规模集成化以实现其功能性是未来发展亟需解决的问题，这也必然涉及如何制备大尺寸魔角石墨烯 “晶圆” 这个重要的技术问题。



“同现有的较成熟的构建约瑟夫森结技术以及未来理想器件材料相比，若要真正实现器件化，还有诸如超导转变温度较低、现有制备手段不适应制备大尺寸魔角石墨烯材料等重要瓶颈需要克服。” 李丹枫说。



“令人欣喜的是，最近有关化学气相沉积法制备扭曲双层石墨烯的研究进展。例如，北京大学刘忠范院士课题组同其合作者，刚刚报道了利用异质原子位成核的方式生长扭曲双层石墨烯的相关研究。这一重要结果将为大规模制备集成化器件带来曙光。”



为何 “黑不溜秋” 的碳能实现高温超导？从理论预测到旋转电子学热潮



2004 年 ，曼彻斯特大学安德烈吉姆（Andre Geim ）和康斯坦丁诺沃塞洛夫（Konstantin Novoselov ）发现石墨烯。2011 年，麦克唐纳利用量子数学和计算机建模研究二维材料，结果发现了一个 “意想不到” 的现象。



他与博士后研究员拉菲比斯特里斯特 （Rafi Bistritzer ）一起，着力于建立简单而精确的模型，以便研究电子在堆叠的二维材料中，当一层相对于另一层稍微扭曲时，电子的行为将如何。麦克唐纳认为，这个看似不可能依靠计算解决的问题，只要把注意力集中在系统中的一个关键参数上，可能就会大大简化研究过程。



麦克唐纳和比斯特里斯特采用的策略之后被证明是成功的。他们预测，当其方法应用于双层石墨烯系统，把扭转的角度设定在约为 1.1 度时，电子的表现会变得极为特殊，移动速度突然慢了 100 多倍，他们把 1.1 度称为 "魔法角度"（magic angle）。相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（the Proceedings of the National Academy of Sciences）。



图 | 曹原和他的导师 Pablo Jarillo-Herrero （来源：MIT）



将石墨烯推向了一个新的高度是在 2018 年，曹原及导师、著名物理学家贾里洛埃雷罗研究团队在 Nature 一天内连续发表两篇论文，他们首次创造出一种扭曲为 1.1 度的层状石墨烯体系。



正如预测的那样，研究发现该体系表现出非凡的特性，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，这为高温超导的研究带来了新的研究思路。



因为在魔角石墨烯领域的突破性成果，曹原成为 Nature杂志创刊以来发表论文最年轻的中国第一作者；在 Nature “2018 年度世界十大科学人物” 中位居榜首，更被称为 “石墨烯驾驭者”。曹原的导师贾里洛埃雷罗也因 “魔角石墨烯” 的研究，获得 2020 年巴克利凝聚态物理奖（Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）以及 2020 年沃尔夫奖。



图丨Pablo Jarillo-Herrero 实验室此前制备的一个样品，用于测试石墨烯的物理特性（来源：Pablo Jarillo-Herrero 实验室）



最初，研究人员在该超导相附近还看到了一些关联电子特征（体现出一种绝缘性质），特别类似高温超导的电子掺杂浓度和温度的相图。人们对此结果兴奋不已，因为这个小小的 “旋转” 操作，仅仅通过改变两片碳材料的转角，形成莫尔超晶格，就能彻底改变材料的本体性能。



短短的三年时间，该领域的研究者蜂拥而至，科研界不断重复实验，寻找是否其他材料也可以经过 “旋之又旋” 而表现出超导性质。



这些现象存在于以碳为元素的石墨烯系统中本身就有许多未解之谜，自此掀起旋转电子学（Twistronics）领域热潮。魔角石墨烯 “旋之又旋” 的相关研究接二连三地登上 Science、Nature等顶级学术期刊。



图丨 当一层石墨烯晶格相对于第二层石墨烯晶格以“魔角”稍微旋转时形成的 moiré 图案（来源：MIT NEWS）



同时科学家也发现，魔角并非产生上述新奇量子态的唯一条件。在魔角附近由于转角石墨烯的能带带宽会变得非常小，体系动能被强烈抑制，从而让电子间库伦关联效应占主导地位。



“石墨烯三层交替转角中也存在超导，且符合理论上的 ‘魔角 ' 特征，即该体系的动能在某些特定的角度会被压缩到一个极小的能量范围。而交错转角三层石墨烯体系中的第一魔角大约是 1.5 度，约是转角双层石墨烯的根号 2 倍，这也可以用转角石墨烯体系的赝朗道能级图像予以解释。” 上海科技大学物质科学与技术学院助理教授、研究员刘健鹏说。



未来：魔角石墨烯的 “旋之又旋”，将揭示更多物理现象



除了国外的相关研究，国内的魔角石墨烯领域发展情况如何呢？



国内最新的研究是 4 月 22 日在 Nature Communications 发表的相关成果，北京大学与英国曼彻斯特大学、苏州大学、中国科学技术大学、牛津大学、上海科技大学合作，他们通过化学气相沉积法、采用异位成核策略制备出高质量的扭曲双层石墨烯。



而在此之前，其他高校也相继有研究进展。例如，南京大学与哥伦比亚大学共同发现，过渡族金属硫化物的转角体系，不需要魔角就能实现超导；复旦大学研究发现材料的转角堆叠次序，能够改变磁性；清华大学研究发现传统高温超导旋转之后超导特性也另有乾坤；物理研究所能够用纳米针尖精准操控两层石墨烯的原子层次可控折叠等。



图 | 用扫描隧道显微镜（STM）来测量原子级结构和电子能量分布（来源：Nature）



为何魔角石墨烯能够 “旋之又旋” 呢？



山西大学光电研究所教授韩拯认为，石墨烯 “旋之又旋” 的转角操作，是一种能带工程：通过改变晶体周期性结构，设计人类想要的电子能带结构。

晶体材料在常温常压下，有一种或多种可以稳定存在的结构，这些结构的元素在原子尺度的排布对称性，决定了它们所有的物理和化学性质。人们早就开始尝试实验上的能带工程，例如，传统静水压利用金刚石对顶砧产生接近 500GPa 的压力来压缩晶体，以获得新的材料晶格、电子能带和物性。

“二维转角材料的 moiré 超晶格周期可以是原始晶格的数百倍，超过了传统静水压能调控晶格的参数范围，是目前固态晶体材料中通过改变晶格对称性达到能带调控的最特殊体系，没有之一。” 武汉大学物理科学与技术学院教授吴冯成说。

原子晶体界面的 “旋之又旋”，现在才刚刚开始，期待魔角石墨烯领域更多的科研进展。


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正是这一次次 “冒险”，推动了科研成果的一次次进步