大約十年前，研究人員預(yù)示著發(fā)現(xiàn)了一種新的具有特殊光學(xué)和電學(xué)特性的超薄材料，使其成為石墨烯的潛在競爭對手，石墨烯是2004年發(fā)現(xiàn)的一種碳形式，其特殊性質(zhì)引起了科學(xué)家和工程師的興趣。

現(xiàn)在，加州理工學(xué)院的工程師已經(jīng)證明，其中一種神奇的材料，二硒化鎢，不僅是石墨烯的競爭對手，也是石墨烯的補(bǔ)充。通過將二硒化鎢添加到石墨烯中，他們設(shè)法增強(qiáng)了石墨烯的電性能，豐富了我們對超導(dǎo)性的理解，并為工程更強(qiáng)大和高度可調(diào)的石墨烯基超導(dǎo)體鋪平了道路。

要了解研究人員的成就，首先了解石墨烯是什么以及為什么它的特性使其有用是有幫助的。

石墨烯是一種碳形式，由單層原子組成，排列成蜂窩狀的晶格圖案，看起來像雞絲。當(dāng)這些片材中的兩片或多片堆疊在一起時(shí)，所得材料可以表現(xiàn)出截然不同的電子特性，這取決于這些片材相對于彼此的對齊方式。

例如，當(dāng)?shù)诙┫鄬τ谄滗佋O(shè)的薄片僅“扭曲”1.05度(稱為“魔角”)時(shí)，由此產(chǎn)生的堆棧可以是絕對沒有任何電阻導(dǎo)電的超導(dǎo)體或完全阻止電通過的絕緣體。在這些截然不同的狀態(tài)之間切換所需要的只是外部電場的應(yīng)用。

令人驚訝的是，2022 年進(jìn)行的研究表明，即使是未扭曲的石墨烯雙層也可以表現(xiàn)出超導(dǎo)性。石墨烯的未扭曲雙層比扭曲的石墨烯更容易大量制造，但這些未扭曲的雙層中的超導(dǎo)狀態(tài)更精細(xì)，更難調(diào)諧，并且僅在比扭曲結(jié)構(gòu)低約一百倍的溫度下發(fā)生(這種溫度通常只能通過使用液氦來實(shí)現(xiàn))。加州理工學(xué)院的新研究展示了一種用二硒化鎢顯著改善這種脆弱超導(dǎo)性的方法。

在11月10日發(fā)表在《自然》雜志上的這項(xiàng)新工作中，應(yīng)用物理和材料科學(xué)助理教授Stevan Nadj-Perge和他的同事發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二硒化鎢放置在石墨烯雙層上時(shí)，未扭曲的石墨烯的超導(dǎo)性大大提高。值得注意的是，超導(dǎo)臨界溫度(即材料可以超導(dǎo)的最熱溫度)提高了<>倍。通過與石墨烯近距離接觸，二硒化鎢將“魔角”扭曲的優(yōu)勢賦予了更大規(guī)模生產(chǎn)的未扭曲石墨烯。這一發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)性的本質(zhì)提供了新的見解，并提出了在其他相關(guān)石墨烯基材料中增強(qiáng)超導(dǎo)性的策略。

“這些石墨烯雙層器件非常可調(diào)，”新工作的通訊作者Nadj-Perge說。“例如，通過施加電場，我們可以從雙層中添加或去除電子，并將它們推向和遠(yuǎn)離二硒化鎢。這使我們能夠仔細(xì)研究系統(tǒng)中超導(dǎo)性的增強(qiáng)。

“高水平的可調(diào)性為未來的應(yīng)用開辟了可能性，”Nadj-Perge繼續(xù)說道。“與扭曲的石墨烯超導(dǎo)體相比，未扭曲的石墨烯超導(dǎo)體的主要優(yōu)勢之一是它們在無序和缺陷方面更清潔，并且在技術(shù)上更容易制造。這意味著這些結(jié)構(gòu)可能更適合需要制作相同設(shè)備架構(gòu)的許多相同副本的應(yīng)用程序。

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