麻省理工学院和哈佛大学的物理学家已经发现，石墨烯这一具有花边，蜂窝状的碳原子薄片，可以表现出两种电极状态：一种是绝缘体状态，电子的流动被完全堵塞；二是作为一个超导体，其中电流可以无阻力地流动。图片来源：美国麻省理工学院

很难相信一个单一的材料可以像石墨烯那样具有如此众多的特性。自年发现以来，科学家们已经发现，这种从铅笔芯上刮下来的具有花边、蜂窝状的碳原子还不只是在世界上已知的最薄的材料，而且还非常轻便灵活，其强度比钢强百倍，比铜更具导电性。

现在麻省理工学院和哈佛大学的物理学家发现这种神奇的材料可以表现出更奇特的电子特性。在今天发表在《自然》杂志上的两篇论文中，研究小组报告说，它可以调节石墨烯具有两种不同的电极特性：一种是作为绝缘体，在其中电子完全被阻止流动；另一种是作为超导体，电流可以在无电阻的情况下流过。

过去的研究人员，包括这个小组，已经能够通过将材料与其他超导金属接触来合成石墨烯超导体，这种结构允许石墨烯继承一些超导行为。这一次，该小组发现了一种对自己使石墨烯超导，超导可以证明在纯碳基材料的内在特性。

物理学家们通过创建两个叠在一起的石墨烯薄片来实现这一点，不是精确地相互叠在一起，而是以1.1度的“魔角”旋转重叠。作为一个结果，这种叠加六边形蜂窝模式略有偏移，创造一个精确的摩尔纹配置，预计产生奇怪的特性，石墨烯片中电子的“强关联相互作用”。在任何其他堆叠结构中，石墨烯倾向于保持不同，很少以电子方式或以其他方式与相邻层进行交互。

研究团队包括以PabloJarilloHerrero为首的一个麻省理工大学的副教授，发现在魔角旋转时，两个石墨烯具有不导电的行为，类似于一个外来类材料称为莫特绝缘体。当研究人员施加电压，向石墨烯超晶格中添加少量电子时，他们发现，在一定的水平上，电子从最初的绝缘状态破裂，变得没有电阻，就像是超导体一样。

“我们现在可以使用石墨烯作为研究超导性的新平台，”JarilloHerrero说。“人们也可以想象，从石墨烯中制造出一种超导晶体管，这种晶体管可以开关，从超导到绝缘体。这为量子设备打开了许多可能性。”

一个30年的差距

一种材料的导电能力通常用能量带来表示。单个带代表一个物质的电子所能拥有的能量范围。在带之间有一个能量间隙，当一个频带被填满时，一个电子必须包含额外的能量来克服这个间隙，以便占据下一个空带。

如果最后占据的能带完全充满了电子，则材料被认为是绝缘体。另一方面，像金属这样的电导体呈现出部分填充的能带，电子可以自由地填充空能态。

然而，莫特绝缘体是一类从它们的能带结构中导电的材料，但当测量时，它们表现为绝缘体。具体来说，它们的能量带是半填充的，但是由于电子间的静电相互作用（如等号的电荷相互排斥），材料不导电。半填充带基本上分裂成两个几乎平坦的带状带，电子完全占据一条带，而另一条带空，因而表现为绝缘体。

“这意味着所有的电子都挡住了，所以它具有绝缘体特性，因为电子间强烈的排斥，所以没有什么能流动，”JarilloHerrero解释说。“莫特绝缘体为什么重要？结果表明，大多数高温超导体的母体化合物是莫特绝缘体。”

换句话说，科学家们已经找到了方法来操纵莫特绝缘体的电子性质，使它们变成超导体，在大约欧凯文的高温下。为了做到这一点，他们在化学上用氧将物质“吸”进去，这些原子将电子从莫特绝缘体中吸引出去，留下更多的空间让剩余的电子流动。当足够的氧气补充，绝缘体变成导体。其中到底是如何实现转变时，JarilloHerrero说，神秘面纱已经有30年了。

“这是一个问题，已经有30年了，还没有解决，”JarilloHerrero说。“这些高温超导体已被很彻底地研究过了，其中有许多有趣的行为。但我们仍不知道如何解释它们。”

一个精确的旋转

JarilloHerrero和他的同事们找来研究这种非常规的物理的一个简单的平台。在研究石墨烯的电子性质时，研究小组开始使用简单的石墨烯堆叠。研究人员首先从石墨中剥离一块石墨薄片，然后用涂有粘性聚合物的玻璃片和一层氮化硼绝缘材料，小心地将一半的薄片剥离出来，从而制造出两片超晶格。

然后他们轻轻地转动玻璃片，拿起了石墨薄片的第二部分，贴在前半部分上。这样，他们创造了一个超晶格的偏移图案，这是截然不同的石墨烯的原始蜂窝晶格。

该小组重复了这个实验，创造了几个“装置”，或者石墨烯超晶格，具有不同的旋转角度，在0度到3度之间。他们将电极连接到每一个器件上，测量电流通过，然后绘制出器件的电阻，给定电流通过的数量。

“如果你在你的旋转角度0.2度，所有的物理特性就消失了，”JarilloHerrero说。“没有超导或莫特绝缘体出现。所以你必须非常精确其中的对齐角度。”

当在1.1度，这一旋转角度已经被预测为一个“魔术角”，研究人员发现，石墨烯超晶格电子类似扁平带结构，类似于莫特绝缘体，其中所有的电子携带相同的能量，无论其动量。

“想象一下，一辆车的动量是质量乘以速度，”JarilloHerrero说。“如果你以每小时30英里的速度行驶，你就有一定的动能。如果你以每小时60英里的速度行驶，你的能量就会高得多，如果你撞车了，你可能会变形一个更大的物体。这是说，不管你走30、60或英里每小时，他们都会拥有同样的能量。”

“免费通行”

对于电子，这意味着，即使它们占据了半填充的能带，一个电子不比任何其他电子有更多的能量，使它能够在这个带内移动。因此，即使这样半填充的带结构应该像导体一样，它却表现为绝缘体——更确切地说，是一个莫特绝缘体。

这给了团队一个想法：如果他们能把电子添加到这些类似莫特的超晶格中，这就像科学家如何用氧掺杂莫特绝缘体使它们变成超导体一样？石墨烯会反过来呈现超导性质吗？

为了找出答案，他们将一个小的栅电压施加到“魔角石墨烯超晶格”，向结构中加入少量的电子。结果，单个电子与石墨烯中的其他电子结合在一起，使它们在不可能之前流动。自始至终，研究人员继续测量材料的电阻，发现当他们添加一定量的少量电子时，电流就像能量超导体一样不损耗能量。

“电子可以自由流动，没有能量的浪费，这是显示，石墨烯是一种超导体，”JarilloHerrero说。

也许更重要的是，他说研究人员能够调整石墨烯表现为绝缘体或超导体，以及中间的任何相位，在一个设备中表现出所有这些不同的性质。这与其他方法形成鲜明对比，科学家们不得不生长和操作成百上千个单独的晶体，每一个晶体只能在一个电子相中运行。

“通常，你必须成长不同类别的材料才能探讨每一阶段，”JarilloHerrero说。“而我们只需要在一个纯粹的碳装置上进行多次研究。我们可以在一个设备上探索所有的物理信息，而不必制造数百个设备。它已经非常简单了。”

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