（文章來源：老胡說科學）

在二氧化硅/硅片上的石墨烯器件的光學圖像。發(fā)光的金屬絲連接到金電極上進行電測量。伯克利實驗室的科學家們發(fā)掘了石墨烯作為一種可電調諧超導體、絕緣體和磁性器件的潛在才能，以推動量子信息科學的發(fā)展。自從石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)以來，科學家們就一直在尋找將這種原子般薄的2D材料投入使用的方法。石墨烯比單鏈DNA還薄，但強度是鋼的200倍，是電和熱的優(yōu)良導體，它可以符合任何形狀，從超薄的2D薄片到電子電路。

去年，由伯克利實驗室材料科學系的教授，加州大學伯克利分校的物理學教授王峰帶領的一組研究人員開發(fā)了一種多任務石墨烯器件，該器件可以從有效導電的超導體切換到可抵抗電流的絕緣體?！蹲匀弧冯s志今天所報道的，研究人員已經利用石墨烯系統(tǒng)的特性來同時兼顧超導、絕緣和一種稱為鐵磁性的磁性，而不僅僅是兩種性質。多任務處理設備可能會使新的物理實驗成為可能，比如對更快的新一代電子電路(如量子計算技術)的研究。

納米制造過程中夾在氮化硼層之間的三層石墨烯材料的光學圖像，以及帶有金電極的三層石墨烯/氮化硼裝置。到目前為止，同時顯示超導、絕緣和磁性的材料非常罕見。大多數人認為石墨烯很難產生磁性，因為它通常沒有磁性。我們的石墨烯系統(tǒng)是第一個將這三種特性結合在一個樣品中的系統(tǒng)。

石墨烯在電子領域有很大的潛力。其原子薄的結構，加上其強大的電子和導熱性，可以在下一代電子和存儲設備的開發(fā)中提供獨特的優(yōu)勢。問題是，如今用于電子產品的磁性材料是由鐵磁性金屬制成的，如鐵或鈷合金。鐵磁性材料，像普通的條形磁鐵，有一個北極和一個南極。當鐵磁材料被用于在計算機硬盤上存儲數據時，這些磁極點向上或向下，代表0和1——稱為位。

然而，石墨烯不是由磁性金屬制成的——它是由碳制成的。因此，科學家們想出了一個創(chuàng)造性的解決方案。三層石墨烯/氮化硼云紋超晶格的電子和鐵磁性質說明。他們設計了一個超薄的裝置，只有1納米的厚度，有三層原子厚度的石墨烯。當夾在二維氮化硼層之間時，石墨烯層——在研究中稱為三層石墨烯——形成一種重復的模式，稱為莫爾超晶格。

通過在石墨烯器件的門上施加電壓，來自電的力量刺激器件內的電子沿同一方向旋轉，就像微型汽車在軌道上賽車一樣。這產生了強大的動力，將石墨烯裝置轉化為鐵磁系統(tǒng)。更多的測量結果揭示了一組驚人的新特性：石墨烯系統(tǒng)內部不僅具有磁性，而且具有絕緣性；盡管有磁性，它的外邊緣卻變成了沒有阻力的電流通道。研究人員說，這種特性是一類罕見的絕緣子，稱為Chern絕緣子。

雙門控三層石墨烯/氮化硼裝置原理圖。插圖顯示了三層石墨烯與底層硼氮化層之間的云紋超晶格圖案。更令人驚訝的是，來自麻省理工學院的合著者張亞輝通過計算發(fā)現(xiàn)，石墨烯器件不僅只有一條導電邊，而且還有兩條導電邊，這使其成為第一個被觀察到的“高階Chern絕緣體”，這是三層石墨烯中強電子-電子相互作用的結果。

科學家們一直在研究一種被稱為拓撲的領域，即研究物質的奇異狀態(tài)，以尋找Chern絕緣體。Chern絕緣體為在量子計算機中操作信息提供了潛在的新方法，在量子計算機中，數據存儲在量子位上。量子位可以表示1、0，也可以表示同時為1和0的狀態(tài)。

“我們的發(fā)現(xiàn)表明，石墨烯是研究不同物理的理想平臺，從單粒子物理到超導性，現(xiàn)在又從拓撲物理到研究二維材料中物質的量子相，”陳說?！傲钊伺d奮的是，我們現(xiàn)在可以在一個只有百萬分之一毫米厚的微型設備中探索新的物理學。”研究人員希望用他們的石墨烯裝置進行更多的實驗，以便更好地了解Chern絕緣體/磁鐵是如何形成的，以及其不同尋常的特性背后的力學原理。
（責任編輯：fqj）