很難相信一種材料可以用石墨烯所能描述的那麼多的最高級來描述。自2004年發現以來,科學家們發現,花邊,蜂窩樣表的碳原子——本質上最微觀的剃鬚鉛筆芯你可以想象——不僅僅是世界上已知最薄的材料,但也非常光和靈活,比鋼強數百倍,比銅導電。
現在，麻省理工學院和哈佛大學的物理學家們發現，這種神奇的材料可以表現出更奇特的電子特性。在今天發表在《自然》雜誌上的兩篇論文中，研究小組報告說，它可以在兩個極端的極端條件下調整石墨烯的性能：作為絕緣體，電子完全被阻擋在流動中;作為超導體，電流可以在沒有阻力的情況下流動。
過去的研究人員，已經能夠通過將材料與其他超導金屬接觸來合成石墨烯超導體——這一安排使得石墨烯能夠繼承一些超導性行為。這一次，研究小組找到了一種方法，使石墨烯的超導電性成為自己的一種方式，證明了超導性可以成為純碳基材料的內在質量。
物理學家們通過創造一個“超晶格”來完成這一任務，這兩個石墨烯薄片疊加在一起——不是精確地在彼此的頂部，而是在一個特定的角度旋轉。其結果是，覆蓋的六邊形蜂巢模式被稍微偏移了一點，形成了一個特殊的結構，預計在石墨烯薄片之間的電子之間會產生奇怪的“強相關的相互作用”。在任何其他堆疊的結構中，石墨烯更傾向於保持獨特的狀態，以電子或其他方式與相鄰的層進行交互。
研究小組發現，當在特定的角度旋轉時，這兩層石墨烯表現出了不導電的行為，類似於一種被稱為“莫特絕緣體”的外來物質。當研究人員應用電壓，將少量的電子加入石墨烯超晶格時，他們發現，在一定程度上，電子從最初的絕緣狀態中脫離出來，沒有阻力流動，就像通過超導體一樣。
可以想象用石墨烯製造超導晶體管，你可以開關它，從超導到絕緣。這為量子設備開啟了許多可能性。”
一種材料的導電能力通常用能量帶來表示。單個的波段代表了一種材料的電子所能擁有的一系列能量。當一個頻帶被填滿時，一個電子必須包含額外的能量來克服這個缺口，以佔據下一個空帶。
如果最後一個被佔據的能量帶完全充滿了電子，那麼材料就被認為是絕緣體。另一方面，像金屬這樣的導電體，則表現出部分充滿能量的波段，而電子能填滿的空能態則可以自由移動。
然而，莫特絕緣體是一種從它們的帶結構中出現的材料，用來導電，但當測量時，它們就會表現為絕緣體。具體地說，它們的能量帶是半滿的，但是由於電子之間強烈的靜電相互作用（例如，相等的符號相互排斥），材料不導電。這個半填充的帶基本上分成兩個微型的，幾乎是平的帶，電子完全佔據一個頻帶，讓另一個帶空，因此表現為絕緣體。
這意味著所有的電子都被阻塞了，所以它是一種絕緣體，因為電子之間存在很強的斥力，所以沒有任何東西可以流動。為什麼莫特絕緣體很重要？事實證明，大多數高溫超導體的母體化合物是一種莫特絕緣體。”
換句話說，科學家們已經找到了操縱莫特絕緣材料的電子性能的方法，將它們變成超導體，在相對較高的溫度下，大約100開爾文。為了做到這一點，用化學方法把材料“吸”到氧上，這些原子會從莫特絕緣體上吸引電子，從而留下更多的空間讓剩餘的電子流。當加入足夠的氧氣時，絕緣體就會變成超導體。這種轉變是如何發生的，已經有30年的歷史了。
這是一個30年的問題，還沒有解決。這些高溫超導體已經被研究到死亡，它們有許多有趣的行為。但我們不知道該如何去解釋它們。”
或許更重要的是，研究人員能夠將石墨烯調整為絕緣體或超導體，以及介於兩者之間的任何階段。
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