今日，曹原导师Pablo Jarillo-Herrero教授和他的团队在Nature Nanotechnology以题为“Electrical switching of a bistable moiré superconductor”发表了一篇论文，结果表明，魔角石墨烯中的超导性可以被开启，并保持下去，只需一个短脉冲而不是一个连续的电场。他们发现，关键在于扭曲和堆叠的结合。通过将魔角石墨烯堆叠在两层偏移的氮化硼（一种二维绝缘材料）之间，三明治结构的独特排列使研究人员能够用一个短电脉冲打开和关闭石墨烯的超导性。本文的主要作者Dahlia Klein、Li-Qiao Xia和David MacNeill，以及日本国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。
谈到魔角石墨烯，就不得不提一个人：“石墨烯超导驾驭者”曹原。2018年，年仅22岁的他因在石墨烯超导材料方面的巨大突破，其论文连续被《自然》杂志刊登，也被该杂志评为“2018年度影响世界的十大科学人物之一”，并高居榜首。
魔角石墨烯指的是一种非常特殊的石墨烯堆叠——一种由碳原子制成的原子薄材料，这些碳原子以类似于铁丝网的六边形图案连接在一起。当一片石墨烯以精确的“魔幻”角度堆叠在另一片石墨烯上时，扭曲的结构会产生略微偏移的“莫尔”图案或超晶格，能够支持许多令人惊讶的电子行为。
这一发现催生了“扭曲电子学”，这是一个探索某些电子特性如何从二维材料的扭曲和分层中产生的领域。包括Jarillo-Herrero在内的研究人员继续揭示魔角石墨烯的惊人特性，包括在不同电子状态之间切换材料的各种方法。到目前为止，这种“开关”的作用更像是调光器，因为研究人员必须持续施加电场或磁场来开启超导性，并使其保持开启状态。
Figure 1. 在魔角石墨烯中开启和关闭超导性的新方法
然而，今日《Nat. Nanotech.》的最新发现表明：通过一些仔细的扭曲和堆叠，科学家在”魔角”石墨烯中发现了一种新的和奇特的特性：可以用电脉冲开启和关闭的超导性，很像一个光开关。
这一发现可能会导致用于神经形态设备的超快、高能效超导晶体管——设计用于以类似于人脑中神经元快速开/关放电的方式运行的电子设备。这是第一次制造出可以用电开和关的超导材料，而且是突然地开启。这可能为新一代扭曲的、基于石墨烯的超导电子产品铺平道路。
【翻转开关】
2019年，斯坦福大学的一个团队发现，魔角石墨烯可以被强制转变到铁磁状态。铁磁体是一种即使在没有外部施加磁场的情况下也能保持其磁性的材料。
研究人员发现，魔角石墨烯可以以一种可以调节的方式（打开或关闭）表现出铁磁特性。当石墨烯片被分层在两片氮化硼之间，使石墨烯的晶体结构与其中一个氮化硼层对齐时，就会发生这种情况。这种排列方式类似于奶酪三明治，其中顶部的面包片和奶酪的方向是一致的，但底部的面包片相对于顶部的面包片旋转了一个随机角度。
从之前的工作中得到启发，Jarillo-Herrero试图通过将两片面包对齐来获得更强的磁力。有趣的是，他们发现了完全不同的东西。
图 1. 器件特性
在他们目前的研究中，该小组制作了一个由仔细倾斜和堆叠的材料组成的三明治。三明治的”奶酪”由魔角的石墨烯组成——两片石墨烯，顶部相对于底部的石墨烯稍微旋转了1.1度的”神奇”角度。在这个结构上方，他们放置了一层氮化硼，与顶部的石墨烯片完全对齐。最后，他们在整个结构下方放置了第二层氮化硼，并将其相对于顶部的氮化硼层偏移30度。
然后，该团队在施加栅极电压时测量了石墨烯层的电阻。他们发现，正如其他人所发现的那样，扭曲的双层石墨烯切换了电子状态，在某些已知的电压下在绝缘、导电和超导状态之间变化。
图 2. 纵向电阻的双栅图
该小组没有想到的是，每一种电子状态都持续存在，而不是一旦电压被移除就立即消失——这种特性被称为双稳态。他们发现，在一个特定的电压下，石墨烯层变成了超导体，并保持超导状态，即使研究人员移除这个电压。
这种双稳态效应表明，超导性可以通过短的电脉冲而不是连续的电场来开启和关闭，类似于按动灯的开关。目前还不清楚是什么促成了这种可切换的超导性，尽管研究人员怀疑这与扭曲的石墨烯与两个氮化硼层的特殊排列有关，这使得该系统具有类似铁电的反应。(铁电材料在其电性能中显示出双稳态）。
图 3. 稳健超导性的表征
图 4. MATBG 状态和超导性的电气切换
【意义】
通过关注堆叠和扭曲，未来人们可以为日益复杂的魔角超导设备添加另一个调谐旋钮。
Jarillo-Herrero说：”人们正试图建造电子设备，以一种受大脑启发的方式进行计算。”在大脑中，我们有神经元，超过一定的阈值，它们就会启动。同样，我们现在已经找到了一种方法，让魔角石墨烯在超过一定阈值时突然切换超导性。这是实现神经形态计算的一个关键属性。”
目前，新的超导开关是研究人员在为更快、更小、更节能的电子产品开发材料时可以考虑的另一个工具。
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