轉角電子學:超導與絕緣自由切換的轉扭

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我們有可能作一個轉扭,就使材料在絕緣體、超導體、鐵磁狀態自由切換嗎?當石墨烯以魔法夾角堆疊時,可以產生超導狀態;若是和六角硼氮組合成「三明治」時,竟然可以產生鐵磁性。二維材料結構簡單,藉由扭轉產生的特殊物理現象,可以幫助科學家更瞭解背後的生成機制。這類的研究進一步被歸類為「轉角電子學」,這樣的材料組成就像一個轉扭一樣,透過旋轉就可以切換其物理狀態!

撰文|黃鼎鈞

神奇的石墨烯h-BN三明治

在吃火鍋的時候,瓦斯爐的轉扭可以調整小火、中火、大火,你可以想像有一個轉扭,可以切換材料的物理特性嗎?其刻度分別為絕緣體、超導體、鐵磁狀態。這不是科幻片,是二維材料在真實世界中可以做到的事情!

圖1:物理性質切換開關示意圖;透過旋轉可以調整材料的物理特性|來源:修改自Microsoft Bing AI生成圖

在上一篇文章《在絕緣與超導間自由切換的石墨烯》中,我們瞭解到,當雙層石墨烯以所謂的「魔法夾角」(Magic angle) 堆疊時,它將轉變成一種絕緣體;同時透過施加電壓,它竟然能夠轉變成超導體,這種極端的電性切換現象吸引了科學家們紛紛投入相關研究,他們希望能夠利用這一發現來開發高速、零能耗的電子元件,同時也不會對地球環境造成破壞。在之前的另一篇文章《石墨烯與它的好朋友——六角硼氮》中提到六角硼氮 (h-BN) 能使得石墨烯的導電度提升,成為石墨烯的最佳夥伴。令人驚豔的是,當石墨烯與h-BN以「魔法夾角」堆疊時,竟然也有像魔法般的事情發生!

2018年,美國麻省理工大學的Pablo Jarillo-Herrero教授的研究團隊發現了雙層石墨烯的超導特性後,相繼在2023年發表了一項新的研究,將雙層石墨烯放在雙層h-BN之間,雙層石墨烯以魔術夾角堆疊,其中,上層的石墨烯與最上層的h-BN對齊,而最下層的h-BN則以隨機的角度擺放。這樣的結構竟然使兩種原本都不帶磁性的物質產生了鐵磁性,這樣的發現讓研究團隊感到相當驚奇。這就像將三明治的麵包和中間的豬肉分開吃,起初似乎沒什麼特別之處,但是廚師經過巧妙的堆疊後,整個三明治竟然變得美味可口。

圖2:石墨烯與h-BN組成的三明治結構,形成特殊的鐵磁性,就像美味可口的豬排三明治一樣!|來源:修改自Microsoft Bing AI生成圖

原本,研究團隊計劃通過旋轉材料來找到產生最大鐵磁性的夾角,但是他們卻獲得了出乎意料的結果。以前,要調整雙層石墨烯的絕緣體和超導體特性需要施加電壓,而一旦移除電壓,超導狀態就會消失。然而,研究團隊發現,當下層h-BN和上層h-BN之間夾角為30°時,即使移除施加的電壓,整個結構仍然能夠保持超導狀態。換句話說,這樣的材料堆疊具有超導狀態的「記憶」。不再需要持續施加電壓,材料仍能保持超導狀態,這對於節約能源來說是一個巨大的突破。這一發現也改變了科學家對超導的理解,有助於深入探究超導產生的機制。

 

二維材料的魔法——轉角電子學

我們可以想像這種材料就像一個有刻度的轉扭,轉動一個角度是超導體,轉動另一個角度是絕緣體,再轉動另一個角度就變成了磁鐵。這正是二維材料的神奇之處之一,被稱為「轉角電子學」(Twistronics),通過調整材料的堆疊角度來控制物質的物理特性,近年來受到許多材料科學家的研究關注。一方面,石墨烯本身具有比銅更高的導電性、比橡膠更具彈性、比鑽石更堅硬的夢幻特性,並且能夠在超導體和絕緣體之間切換,甚至與h-BN一起產生鐵磁性。如果這種材料能夠得到應用,將不僅節省能源,而且不會對地球資源造成過多負擔,因為碳是地球上最豐富的物質之一。另一方面,石墨烯的結構非常簡單,僅由碳原子構成六角蜂巢型結構,並且僅有一層原子層。這樣的簡單結構排除了許多複雜因素,有助於科學家更深入地瞭解各種物理特性背後的機制,更全面地掌握物理原理,並能夠進一步研究其他材料或合成新材料,以實現節能又高效的科技應用。

圖3:具備超導特性的石墨烯示意圖|來源:Leonardo.AI及Microsoft Bing AI生成

 

物理領域的「聖杯」

目前的超導體都需要在極低溫或極高壓力下才能實現,包括上文提到的雙層石墨烯,要使它們應用於實際生活還有賴科學家齊心協力的深入研究。然而,通過簡化結構、低溫排除熱擾動和其他干擾因素,科學家們能夠更深入地瞭解超導體的形成機制。室溫和常壓下實現超導體,被許多人認為是物理領域的一個「聖杯」。隨著近年量子革命的崛起,超導體有如量子的終極載體,能夠將奇特的量子現象發揮在我們的生活當中,科技的視野將全面的提升,這將是一場科技的革命,讓我們一同期待這一天的到來!

 


參考文獻

  1. Klein, D. R., Xia, L., MacNeill, D., Watanabe, K., Taniguchi, T., & Jarillo-Herrero, P. (2023). Electrical switching of a bistable moiré superconductor. Nature Nanotechnology, 18(4), 331–335.
  2. Tritsaris, G. A., Carr, S., Zhu, Z., Xie, Y., Torrisi, S. B., Tang, J., Mattheakis, M., Larson, D. J., & Kaxiras, E. (2020). Electronic structure calculations of twisted multi-layer graphene superlattices. 2D Materials, 7(3), 035028.

 


📖 延伸閱讀:《在絕緣與超導間自由切換的石墨烯》、《石墨烯與它的好朋友——六角硼氮》、《市面上的石墨烯產品,真的有那麼厲害嗎?

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