什么比人类头发更薄但具有特殊性质的深度?由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员开发的多任务石墨烯装置。超薄材料很容易从导电的超导体切换到不损失任何能量的绝缘体，再到阻止电流流动的绝缘体，再转回到超导体 - 所有这一切都只需一个开关的简单翻转即可。他们的研究结果今天在“ 自然 ”杂志上发表。

“通常，当有人想研究电子如何在超导量子相中与绝缘相相互作用时，他们需要研究不同的材料。通过我们的系统，您可以在一个地方同时研究超导阶段和绝缘阶段，“该研究的主要作者和领导该研究的王峰实验室的博士后研究员Guorui Chen说。Wang是伯克利实验室材料科学部的一名教师科学家，也是加州大学伯克利分校的物理学教授。

石墨烯器件由夹在二维氮化硼层之间的三个原子级薄(2D)石墨烯层组成，形成称为莫尔超晶格的重复图案。这种材料可以帮助其他科学家了解被称为高温超导的现象背后的复杂机制，其中一种材料可以在高于预期的温度下无阻力地导电，但仍然低于冰点数百度。

在之前的一项研究中，研究人员报告了在由三层石墨烯制成的器件中观察Mott绝缘体的特性。莫特绝缘体是一类材料，尽管经典理论预测电导率，但它会以某种方式停止在低于冰点数百度的地方导电。但是长期以来人们一直认为莫特绝缘体可以通过添加更多的电子或正电荷来超导，以使其具有超导性，Chen解释说。

在过去的十年中，科学家们一直在研究如何结合不同的二维材料，通常从石墨烯开始 - 石墨烯是一种以高效传导热量和电能的方式而闻名的材料。在这项工作中，发现用石墨烯形成的莫尔超晶格表现出奇异的物理特性，例如当层以正确的角度排列时的超导性。

“因此，对于这项研究，我们问自己，'如果我们的三层石墨烯系统是莫特绝缘体，它还能成为超导体吗?'”陈说。

与SLAC国家加速器实验室斯坦福材料与能源科学研究所的David Goldhaber-Gordon和复旦大学张元波合作，研究人员使用稀释冰箱，可以达到40毫牛的极冷温度 - 或接近零下460华氏度 - 将石墨烯/氮化硼器件降温至研究人员预期超导电性出现在莫特绝缘体相附近的温度，陈说。

一旦设备达到4开尔文(零下452华氏度)的温度，研究人员就会在设备的微小顶部和底部门上施加一系列电压。正如他们所预料的那样，当他们向顶部和底部栅极施加高垂直电场时，电子填充石墨烯/氮化硼器件的每个单元。这导致电子稳定并保持在原位，电子的这种“定位”将器件转变为莫特绝缘体。

然后，他们向门施加更高的电压。令他们高兴的是，第二次阅读表明电子不再稳定。相反，他们正在穿梭，从一个电池移动到另一个电池，并在没有损失或阻力的情况下导电。换句话说，该器件已从Mott绝缘体相切换到超导体相。

Chen解释说，氮化硼莫尔超晶格以某种方式增加了当电压施加到器件时发生的电子 - 电子相互作用，这种效应会导致其超导相。它也是可逆的 - 当向栅极施加较低的电压时，器件切换回绝缘状态。

多任务设备为科学家们提供了一个微小的多功能操场，用于研究奇异新型超导材料中原子和电子之间的精妙相互作用，可用于量子计算机 - 存储和操纵量子比特信息的计算机，通常是亚原子粒子，如电子或光子 - 以及有朝一日可以制造用于微电子的微型2D Mott晶体管的新型Mott绝缘体材料。

“这个结果对我们来说非常令人兴奋。我们从未想过石墨烯/氮化硼器件会做得很好，“陈说。“你可以研究几乎所有的东西，从单颗粒到超导。这是我所知道的研究新物理学的最佳系统，“陈说。

这项研究得到了材料量子相干新途径中心(NPQC)的支持，NPQC是伯克利实验室领导的能源前沿研究中心，由能源部科学办公室资助。NPQC汇集了伯克利实验室，阿贡国家实验室，哥伦比亚大学和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员，研究量子相干性如何在三层石墨烯等新材料中出现意外现象，并着眼于未来在量子信息科学和技术中的应用。