神奇石墨烯：既能超导，又能绝缘

credit: 麻省理工学院

石墨烯是一种“神奇材料”，能够展现出两种极端的电学性能。麻省理工学院和哈佛大学的研究人员发现，它既可作为绝缘体(电荷无法通过材料)，又可作为超导体(电子毫无障碍地通过材料，电阻为零)。

2004年，英国曼彻斯特的科学家首次制造出石墨烯。此后，科学家接连发现石墨烯具有令人震惊的性能。石墨烯是人类所知的最薄材料，大致就是一层蜂巢状的碳原子。它极其轻盈、格外灵活，单层每平方米仅重0.77毫克；但同时，它又比钢铁坚韧百倍。一头大象站在一根铅笔上，才能戳破一层保鲜膜厚度的石墨烯。此外，它的导电性远胜于铜，因此许多人认为它是未来“超级电子产品”的支柱。

之前，科学家通过向超导体金属掺杂石墨烯，合成石墨烯超导体——这样一来，石墨烯会“继承”超导体特性。如今，麻省理工学院的物理学副教授Pablo Jarillo-Herrero发现了一种新方法，能够让石墨烯自行成为超导体。

我们用“能带”来描述材料的导电能力，每个能带代表电子能够拥有的能量范围。能带之间存在“能隙”。若想跃过能隙，电子需要额外能量。完全被电子占据的能带是“满带”，满带中的电子不导电；部分被电子占据的能带是“导带”，导带中的电子会导电。所谓绝缘体，就是电子全都待在满带；所谓导体，就是存在部分被电子占据的能带。

然而，“莫特绝缘体”却是一种奇特的材料。从能带结构看，它应该能导电，但却是绝缘体。它之所以绝缘，是因为电子之间存在强烈的静电作用。因此，所有电子都被封锁，无法流动。莫特绝缘体非常重要，它是大多数高温超导体的母体化合物。

这回，研究人员发现：将两叠石墨烯叠在一起，并旋转至1.1度，它将呈现出类似莫特绝缘体的绝缘效果——无论动量如何，所有电子携带相同能量。然而，当研究人员为它施加电压、添加少量电子时，神奇的事情又发生了。在一定水平上，电子打破了绝缘状态，毫无阻力地流动，仿佛是超导体。

如今，科学家可以利用石墨烯，探究非常规的超导电性。我们甚至能想象石墨烯被制成超导晶体管——只要按下开关，就可以转换超导性能和绝缘性能。这为量子设备提供了许多可能性。

本文译自 zmescience，由 蛋花 编辑发布。
原作者：TIBI PUIU