曹原一作兼通讯！Science盛赞：魔角石墨烯超导器件迈出关键一步！

小纳米

2020-12-08

2018年，魔角石墨烯横空出世！

堆叠在一起的两片单层石墨烯，以1.1°的角度旋转，会形成大量莫尔超晶格。通过将成千上万的原子聚集在一起，莫尔图案像超级原子一样可以统一发挥作用。施加电场后，一定数量的电子能够集体行动，使导体变成绝缘体，然后突然变成超导体。

这一发现，堪称魔幻！

在超导体一百多年的逐梦征程中，魔角石墨烯的出现，不可谓不是一剂强心针。3年以来，魔角石墨烯已经吸引了全世界科学家的关注，一时风光无两。

自从发现魔角石墨烯以来，来自MIT的Pablo Jarillo-Herrero教授和他的学生曹原博士等人，以及全球数十个顶级研究团队，一直在深入理解其中的机制，发现更多新奇的物理现象，并不断探索其应用的可能性。

新征程

魔角石墨烯最为人称道之处，就在于其在超导领域的神奇；最令人神往之处，也在于超导电子器件领域的应用。

近日，来自MIT的Pablo Jarillo-Herrero、曹原团队，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的Klaus Ensslin团队，各自独立在arXiv预印本上发布了他们关于魔角石墨烯集成到量子计算机中的超导开关的最新成果，这表明魔角石墨烯已经发展成为一种能够捕获和控制单个电子和光子的基础科学工具，昭示着魔角石墨烯在超导电子器件的道路上，迈出了关键的一步。Science对此突破性进展，进行了深度报道，称其为魔角石墨烯的“next trick”。

常规的约瑟夫森结（Josephson Junctions）是超导电子的主力军，无论是用于监视大脑中电活动的磁性设备，还是超灵敏磁力计，都少不了它们的作用。

两个研究团队都建立了一种称为约瑟夫森结的器件，在非超导材料薄层的侧面构建两个超导体，从而形成一个可控制超导的阀门。研究表明，通过拍打金属“门”的图案，可以将所需的特性转移到薄板的微小区域。随着电场变化，这些金属“门”会使不同的区域也随之受到影响。Pablo Jarillo-Herrero/曹原团队则更进一步，实现了将约瑟夫森结电转化为其他亚显微的小工具。

Klaus Ensslin认为：“一旦证明这是可行的，整个世界都将被打开！”

Pablo Jarillo-Herrero则声称：“作为概念证明，这一研究将验证魔角石墨烯作为一个材料研究平台的普适性！”

通过对碳进行调控，实现导体-绝缘体-超导体的巧妙转变，研究团队能够精准测量电子对被紧密结合在一起的程度，这是材料超导的本征特性之一。Jarillo-Herrero团队还构建了一个可以控制单电子运动的晶体管，基于这种单电子开关，可以进一步使电路微型化并减少其能耗。

赋能量子计算机

魔角石墨烯的出现，让科学家在探索新型电子器件的同时，不必再担忧化学材料的限制，这已经让科学家兴奋不已。在此之前，材料科学家通常必须找到各种具有不同原子特性的物质并将其集成在一起，然而，不同的元素可能无法以所需的方式兼容以发挥理想的作用，一度让科学家痛苦不已。

现在，在魔角石墨烯中，所有原子都是碳，消除了不同材料之间的混乱边界。科学家们只需旋转角度，就可以改变任何给定的补丁部分的电子行为，这些优势赋予了科学家对材料前所未有的控制权。

这种精准的控制，可以简化量子计算机。

由Google和IBM开发的量子计算机主要依赖于Josephson结，这些结在制造过程中是固定的。要精准操控量子位，必须以复杂繁琐的方式共同操纵这些结。而使用魔角石墨烯，量子位可能来自更小且更易于控制的单个结。

除此之外，魔角石墨烯还可用于检测单个红外光子

2002年，雷神公司BBN Technologies量子计算团队成员Kin Chung Fong提出了一种魔角石墨烯器件，电流传感器只能在可见光或近可见光部分发现孤立的光子，可以检测单个红外光子光子，这种设备可以帮助天文学家探测宇宙早期微弱的光。

道阻且长，未来可期

自从获得诺奖的十多年来，石墨烯的生产已经相对容易。然而，魔角石墨烯器件想要挑战具有霸主地位的硅电子产品，至少在短期内并不太可能实现，这主要是因为：

1）想要实现超导，必须将设备冷却至极致低温。

2）想要保持精确的扭曲角度很难，单层石墨烯容易起皱，从而破坏魔角。

旋转扭曲技术领域仍处于起步阶段，将双层石墨烯的微观晶格扭曲到魔角位置的繁琐过程仍然需要相当的技巧，魔角石墨烯的大规模制造工艺还在探索期。如果想要构建一个真正复杂的器件，就必须构建成千上万的石墨烯衬底，而该技术目前并不存在。

无论如何，魔角石墨烯已经在深刻地改变材料科学的世界。

或许，一个真正属于石墨烯的时代，就要来临！

参考文献：

Charlie Wood. ‘Magic angle’ graphene's next trick: superconducting devices. Science 2002, 370, 897-898.

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/897