单层石墨烯也能实现超导？新技术推动轨道磁体和超导体等量子器件的研制
自从石墨烯在 2000 年代初首次被分离和表征以来，研究人员一直在探索使用这种原子级薄纳米材料的方法，因为它具有高拉伸强度和导电性等独特特性。
近年来，由两片石墨烯扭曲成特定“神奇”角度制成的扭曲双层石墨烯已被证明具有超导性，这意味着它可以以非常小的电阻导电。然而，由于制造扭曲双层石墨烯的产量低，使用这种方法制造器件仍然具有挑战性。
现在，一项新的研究显示了单层石墨烯的图案化、周期性变形如何将其转化为具有以前在扭曲石墨烯双层中看到的电子特性的材料。该系统还在边界处托管了额外的意外和有趣的导电状态。通过更好地了解单片石墨烯在受到周期性应变时如何产生独特的性质，这项工作有可能在未来创造出轨道磁体和超导体等量子器件。该研究发表在《物理评论快报》上，由宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理与天文学系的研究生 Võ Tiến Phong 和 Eugene Mele 教授进行。
对精心设计的基板的描绘，该基板会导致沉积的石墨烯片产生波纹。这种变形会产生仅存在于纳米带结构一侧的电流。图片来源：Võ Tiến Phong
复杂扭曲双层方法的一种替代方法是使用单层石墨烯，这些石墨烯被放置在精心设计的基板上，称为“钉床”，它以周期性的方式施加外力或应变。为了更好地理解这个系统的量子几何特性，Mele 和 Phong 着手理解电子在这个单层系统中如何移动的理论。
在对单层实验进行计算机模拟后，研究人员惊讶地发现沿材料表面但仅在一侧出现意外现象的新证据。
“通常，整体拓扑与表面特性相关联，在这种情况下，所有表面都会继承该特性，”Mele 说：“在这里，一侧有边缘模式而不是另一侧的事实让我觉得非常不寻常。”
这一发现是出乎意料的，因为在这个系统中，当系统应变时产生的平均伪磁场为零——一个区域为正，另一个区域为负，研究人员假设这会抵消任何独特的现象。
“如果磁场为零，你可能不会得到任何有趣的物理学，”Phong 说：“相反，我们发现即使平均磁场为零，它仍然会给你带来一些有趣的边缘物理现象。”
为了解释这个意想不到的结果，Phong 仔细研究了一个类似的实验系统，其中单片石墨烯被弯曲以模拟常数而不是周期性应变诱导场。Phong 发现该系统具有相同的拓扑指数，这意味着只会在材料的特定侧面蓬勃发展的边缘状态也会出现。
“这里的物理学是相似的，似乎是对我们正在研究的现象学的正确解释，”Phong 说。
总体而言，这项研究预测，类似于在扭曲双层石墨烯中发现的扁平带，是通过将原子薄的单层沉积到指甲床基板上而产生的，该基板会在石墨烯片上引起周期性变形。
研究人员已经在对这些单层系统进行更深入的了解。进一步研究的一个途径是与助理教授博振合作，利用光波研究同样的现象。研究人员也有兴趣了解扭曲双层石墨烯中存在的其他独特特性是否也可能出现在单层系统中。
“虽然物理学很简单，这意味着你可以让系统以更可控的方式按照你想要的方式运行，但你可以从中得到的现象学却不是。它非常丰富，我们仍在发现新事物正如我们所说，”Phong 说。
而且由于这些单层系统更易于使用，这种增强的理论理解有可能有助于未来在边缘态物理领域的发现，包括可能的新设备，例如超小型、令人难以置信的快速量子材料。
“现在需要付出巨大的努力来理解这些扭曲的石墨烯双层，我认为我们在这里要解决的一个有趣的问题是可以真正做到这一点的物理系统的基本成分，”Mele 说：“我们正在建造你无法从上到下以有趣的长度尺度建造的人造结构——比原子还大，比光刻技术还小——而且，如果你能控制它，你可以做很多事情可以做。”
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