許多電子設備的功能與其界面有密切聯系，界面處材料的電學性質會急劇改變。通常，這種界面要求原子組成在發生急劇變化的同時，能夠避免離子遷移和保持晶格匹配，從而以減少載流子的散射。盡管以上的要求是很難同時滿足的，但是一種最具潛力的解決方案是使用扭曲雙層石墨烯，它可以在不改變原子組成的情況下擁有多種電子基態。當兩個石墨烯片堆疊在一起，其晶格排列偏差約為1.1°時，調控外部電場和感生電荷摻雜，可使得該材料變成導體、絕緣體、超導體甚至是鐵磁體。麻省理工學院的Daniel Rodan-Legrain，曹原，Pablo Jarillo-Herrero以及蘇黎世聯邦理工學院的Folkert K. de Vries，Peter Rickhaus等人分別在Nature Nanotechnology發表論文，報告了在亞微米尺度上連接這些不同電子態的電子器件。具體來說，約瑟夫遜結和量子點收縮完全是在石墨烯雙層內完成，通過使用附近的柵極來改變局部電荷密度。同時，不同電子態之間的邊界完全是通過靜電場確定的，而不是通過不同材料的界面。此外，當使用一組固定的柵極時，原則上可以在不同的器件類型之間切換。
第一作者：Daniel Rodan-Legrain, 曹原, Jeong Min Park通訊作者：Daniel Rodan-Legrain，曹原，Pablo Jarillo-Herrero.通訊作者：Folkert K. de Vries，Peter Rickhaus.扭曲的魔角石墨烯只使用電場門控就可以在單一的晶體材料中實現約瑟夫遜結和單電子晶體管，從而避免了不同材料之間的界面。在實際應用中，靜電門控對幾乎滿帶或空帶的均勻系統的影響是受到限制的。要占據或耗盡整個電子帶，就必須按晶體周期單胞的要求，在每幾個原子中添加或移除一個電子。然而，場效應晶體管只能通過大約每1,000個原子一個電子來調節局部電荷密度，這受電極之間電介質物質的擊穿場的限制。對于魔角石墨烯這樣的超晶格結構而言，大面積的moiré單胞包含約10,000個原子，比傳統石墨烯的單胞大得多。所誘導的微帶在每個moiré單胞中均包含一個電子。如此一來，標準場效應控制就足以在每個超級單胞中添加或移除幾個電子，并完全改變微帶占用率及其相應的電子順序。為了在魔角石墨烯中構造器件，研究者在石墨烯層的上方和下方均設計了電極，并通過控制局部電荷摻雜來誘導所需的基態模式。通過誘導由一個短的、非超導弱鏈分開的超導區域，兩個研究小組能夠通過純靜電界面創造平面約瑟夫森結。連接不同相的超導儲層的約瑟夫遜結是超導量子干涉裝置(SQUID)磁強計、超導數字電子學、約瑟夫森電壓標準和超導量子位等技術的基礎。麻省理工學院的Daniel Rodan-Legrain，曹原，Pablo Jarillo-Herrero等人使用略有不同的電極圖案，還通過隧道勢壘將魔角石墨烯的導電區域連接到超導區域。通過這種設計，能夠通過測量穿越隧道勢壘的未成對電子流來對超導區域中的態進行光譜分析。他們的結果證實了在超導狀態下存在能隙，但是還不能揭示超導體對的對稱性。探索魔角石墨烯中超導的起源和性質仍然是當前領域的一個重要挑戰。除了超導器件外，研究者還在魔角石墨烯中構建了單電子晶體管。他們通過短的絕緣層將導電島與相鄰的導電區域隔開。在溫度極低，島足夠小，并且隧道勢壘不透明的情況下，成功使島上的電子數量平均波動少于一個。在這些條件下，實現了一次一個電子的電流流過導電島，從而通過改變島上的電勢來接通和關斷。圖3魔角扭曲雙層石墨烯約瑟夫遜結的非局部性和可調性。1、制造僅包含幾個電子的更小導電島：用以研究魔角石墨烯的電子基態。2、制備更大尺寸均勻的魔角石墨烯：在大約1微米的距離內可以足夠均勻，如果可以增加此尺寸，則可能會出現更復雜的電路并按比例放大。1、Prance, J.R., Ben Shalom, M. Building devices in magic-angle graphene. Nat. Nanotechnol. (2021).DOI:10.1038/s41565-021-00913-4https://doi.org/10.1038/s41565-021-00913-42、Rodan-Legrain, D., Cao, Y., Park, J.M. et al. Highly tunable junctions and non-local Josephson effect in magic-angle graphene tunnelling devices. Nat. Nanotechnol. (2021).DOI: 10.1038/s41565-021-00894-4https://doi.org/10.1038/s41565-021-00894-43、de Vries, F.K., Portolés, E., Zheng, G. et al. Gate-defined Josephson junctions in magic-angle twisted bilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2021).DOI: 10.1038/s41565-021-00896-2https://doi.org/10.1038/s41565-021-00896-2
