复旦大学等​《Nature》重磅：石墨烯超导再获得突破！

来源：高分子科学前沿

2018年3月5日，《自然》连刊两文报道石墨烯超导重大发现。年仅21岁麻省理工学院博士生曹原发现了石墨烯的“魔角”。当温度冷却到1.7K时，当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度，就会产生神奇的超导效应。前人的研究集中在氧化铜材料的超导电性，氧化铜材料的超导电性往往需要在高温下才得以显现。曹原等仅仅通过简单的双层石墨烯碳材料，提供了一个复杂超导物理的探索平台。

哥伦比亚大学物理学家Cory Dean指出，双层石墨烯只有在两个石墨烯层的原子晶格相对于彼此扭转了1.1°的“魔角”时才具有超导 -在已知的最薄材料上进行这项操作是非常困难的。“如果稍有偏离就行不通，”近日，斯坦福大学的物理学家David Goldhaber-Gordon和加州大学伯克利分校的物理学家Wang Feng 和复旦大学Zhang Yuanbo团队在更容易获得的三层石墨烯片中发现了超导电性的迹象，相比于双层石墨烯超导，三层石墨烯不必发生扭曲，每层原子晶格的上层和下层对齐，这在生产多层石墨烯时自然而然的形成这样的结构。借助三层石墨烯，有望帮助研究人员更快了解铜氧化物中的超导性。相关研究以“Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré superlattice”为题发表在《Nature》上，第一作者为Chen Guorui。

该文采用了现有标准的方法来剥离石墨烯薄片。首先，将一块透明胶带粘在一大块石墨上 - 大多数铅笔中的成分- 然后对此进行剥离。通过撕胶带的方法（机械剥离法）。Wang Feng 团队之前开创了一种技术，发现三层石墨烯中独特的光学特征。

机械剥离法制备石墨烯 

然后，该团队将这些三层薄片作为制造电气设备的起始材料。它们将三层薄片夹在氮化硼层之间，防止石墨烯被污染的同时防止其发生弯曲。在一些地方，氮化硼层中的原子与石墨烯层中的碳原子精确对齐，但是在几纳米之外它们是偏移的。在大约10纳米之后，层中的原子再次对齐，产生“莫尔”重复图案，其在扭曲的双层石墨烯中也是明显的。每个重复的莫尔晶胞除了材料本身的电子外，可以容纳多达四个额外的电子，从而改变材料的导电性。

接下来，研究人员在薄片顶部构筑金属图案，用“栅极”构建晶体管，控制在材料中添加电子。通过操纵栅极上的电场，研究人员能够精确控制每个重复莫尔晶胞中存在电子数量。当他们向每个晶胞添加三个电子并将温度降至低于2K时，他们注意到电阻急剧下降，这是超导性的一个标志 。他们还注意到，当他们对样品外部施加磁场时，接近零的电阻消失了，这是超导的另一个迹象。Goldhaber-Gordon补充说，这些信号还不确定，目前仍然存在两个问题：首先，电阻没有完全降至零，这可能是由于石墨烯薄片中的杂质导致的；其次，它可能无法实现大面积超导。

尽管如此，Goldhaber-Gordon指出，三个额外电子的表观超导性与传统的高温超导体（1986年发现的铜基材料）相似。这提高了三层石墨烯作为超导材料的希望。一个很好的模型系统，用于解决这个长期存在的谜团。他说，三层石墨烯提供了是一个清晰的研究系统，它提供了一种探索复杂物理学研究的简单方法。” 

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1393-y

https://www.sciencemag.org/news/2019/07/trilayer-graphene-shows-signs-superconductivity