石墨烯是什么？石墨烯夹杂在超导体之间的奇异变化

　　石墨烯高性能光学器件可用于成像、显示、传感器和高速通信。题为“由碳化硅衬底与微米量级石墨烯结合制成的光电晶体管的位置依赖和毫米范围光电探测”的论文发表在《自然纳米技术》杂志。该项目受到美国国家科学基金会和美国国土安全部的联合资助，同时，它也受到国防威胁降低局的资助。

　　极薄碳层具有独特的光学和电子性质，石墨烯有希望制成高性能光电器件。然而，通常的石墨烯光电探测器仅有一小块区域对光束敏感，这限制了其应用。

　　普渡大学陈勇教授说：“为解决该问题，研究人员将石墨烯与相对较大的SiC衬底相结合，制成了石墨烯场效应晶体管，光可以将其激活。”

　　高性能光电探测器可用于高速通信、超灵敏相机、传感和可穿戴电子器件。基于石墨烯的晶体管阵列可以实现高分辨率成像和显示。

　　密歇根大学核工程与放射科学Igor Jovanovic教授说：“大部分相机需要很多像素点，然而，我们的方法使得超灵敏相机成为可能。虽然它的像素点相对较少，但是分辨率很高。”

　　Jovanovic教授说：“在通常的石墨烯光电探测器中，光响应仅发生在石墨烯附近的特定位置（该区域比器件尺寸小得多）。然而，对许多光电器件应用而言，希望在更大的区域上获得光响应和位置灵敏度。”

　　新发现表明，该器件可在非局部区域对光敏感，甚至当光照在距石墨烯至少500µm 的碳化硅衬底上时也对光敏感。光响应和光电流可增加差不多10倍，这取决于照射哪一部分材料。此外，光电晶体管新技术也是位置灵敏的，因此它可以确定光线到达的位置（对于成像应用和探测器非常重要）。

　　这是首次证明在较大的碳化硅晶片上使用一小块石墨烯实现非局部光电探测，因此光不必击中石墨烯本身。光线可以入射在一个更大的区域，几乎是一毫米，之前没有人做过相关研究。

　　将电压施加在碳化硅背面和石墨烯之间，在碳化硅中建一个电场。入射光在碳化硅中产生光载流子。

　　该研究与开发石墨烯传感器工作有关，石墨烯传感器可用于检测辐射。

　　麻省理工学院的物理学家发现：当石墨烯薄片与两种超导材料紧密接触时，它便可以继承一些材料的超导特性。当石墨烯夹在超导体之间时，即使是在中心区域，其电子状态也会发生巨大的变化。上图为实验原理和装置示意图。

　　在常规的导电材料（例如银和铜）中，电流的流动程度随着电阻的不同而发生变化，以带有像乒乓球样缺陷的单个电子的形式，一边流动，一边消耗着能量。相比之下，超导体材料中的电流则是通过电子配对和移动的方式通过材料，在此过程中不会产生摩擦，因此超导体能够以无阻力的方式来传导电子。

　　现在，麻省理工学院的物理学家们发现，当石墨烯薄片与两种超导材料紧密接触时，它便可以继承一些材料的超导特性。当石墨烯夹在超导体之间时，即使是在中心区域，其电子状态也会发生巨大的变化。

　　研究人员发现，石墨烯的电子在先前表现为单独的散射粒子，而不是在“Andreev状态”中配对--Andreev states是一种基本的电子配置方式，其允许传统的非超导材料承载“超电流”（超电流即为流动但却不耗散能量的电流）。

　　他们的科研成果发表在本周的Nature Physics杂志上，这也是关于二维材料，如石墨烯中超导性的“邻近效应”造成Andreev状态的第一次调查。

　　通过不断地研究发现，科学家们构想的这一石墨烯平台不仅能够被用于探索外来粒子，例如被认为在Andreev状态下出现的马约拉纳费米子（要求反对称波函数的粒子，如电子，叫做费米子；马约拉纳费米子是一种费米子，其反粒子就是它本身）。也同样可以成为构建强大的、拥有防错技术的量子计算机的关键粒子。

　　首席作者Landry Bretheau（麻省理工学院物理系的博士后）说：“在凝聚态物理领域，人们需要花大力气去寻找奇异的量子电子状态，特别是被称为’马约拉纳费米子’的新粒子，这种新粒子预计会出现在与超导电极连接，并暴露于大磁场的石墨烯中，随着我们将其中的一些成分统一起来，我们的实验又有了很大的进展。”

　　兰德里的麻省理工学院的合著者是Joel I-Jan Wang博士，访问学者Riccardo Pisoni，物理学副教授Pablo Jarillo-Herrero，以及日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

　　超导邻近效应

　　1962年，英国物理学家Brian David Josephson预测，当非超导层夹在两个超导体之间时，便可以继承电子对的超电流，而不会产生任何的外部电压。

　　总的来说，与Josephson效应相关的超电流理论已经在许多实验中被测试过。但是，Andreev状态显示，仅在少数系统中可以观察到超级电流的微观结构单元，例如在银导线中；而在二维材料中则从来没有观察到超级电流的微观结构单元。

　　Bretheau，Wang和Jarillo-Herrero通过使用石墨烯——超薄的相互连接的碳原子片作为非超导材料来解决这个问题。Bretheau解释说：“石墨烯是一种非常“干净”的系统，表现出很少的电子散射性。由于上述非超导材料与超导体接触，石墨烯扩展的原子结构还使科学家能够测量石墨烯的Andreev 电子状态。科学家们也可以控制石墨烯中的电子密度，并研究它是如何影响超导邻近效应的。

　　研究人员从大块的石墨中剥下了仅有几百纳米的石墨烯薄片，并将薄片放置在用石墨片覆盖的氮化硼晶体制成的小平台上。在石墨烯片的任一端，他们放置了由铝制成的在低温下表现为超导体的电极。然后，他们将整个结构放置在稀释制冷机中，并将铝在超导范围内的温度降至20 millikelvin。

　　配对受挫的电子状态

　　在他们的实验中，研究人员通过对整个结构应用变化的磁场，来改变流动在超导体之间的超级电流的大小。它们还将外部电压直接施加到石墨烯上，以改变材料中的电子数量。

　　在这些变化的条件下，该科研团队测量了当薄片与铝超导体接触的时候石墨烯的电子态密度。隧道光谱技术是测量导电样品中电子状态密度的常用技术，研究人员能够探测石墨烯的中心区域，甚至也会探测到石墨烯超导体的非物理性接触区域，来了解超导体对其是否有任何影响。

　　测试结果表明，石墨烯的电子通常是作为单个粒子的形式存在的，虽然是在受挫的结构中配对，但是能量却依赖于磁场。

　　Bretheau说：“像芭蕾一样，超导体中的电子完美地配对，但左右超导体的舞蹈可能是不同的。处于中心位置的石墨烯电子对，因为他们试图满足两种跳舞的方式，从而会感到非常受挫，这些受挫的电子对正是物理学家所熟知的Andreev状态；就是它们携带着超级电流。

　　Bretheau和Wang发现Andreev状态的能量随着磁场的变化而改变。当石墨烯的电子密度较高并且在电极之间存在着更强的超导电流时，Andreev状态就会变得更加显著。

　　“Bretheau说：“超导体带给了石墨烯一些超导特性，我们发现石墨烯中的电子会受到超导体的极大影响。”

　　研究人员在低磁场下进行了实验，他们说对于探索在高磁场下应该出现更多奇异的马约拉纳费米子方面，他们的平台可能是一个新起点。

　　”Bretheau说：“有很多关于如何使用马约拉纳费米子粒子来构建强大的量子计算机的建议，上述粒子可能是制造拓扑量子计算机的基本砖块，它能够很好的防止错误的出现，我们的工作正是朝着这个方向迈出的坚实一步。”