最新《Nature》重磅：揭开“魔角”石墨烯超导的神秘面纱

日期：2021-10-25 / 人气：

图解：魔角石墨烯是一种令人难以置信的多功能材料，通过改变其温度、磁场和电子密度，可以很容易地在一系列不同的量子相中进行调整。在这里，研究人员发现了其非常规超导相的基本特征（黄色），它能以零电阻和零能量损失的方式导电，以及其先前未知的伪隙制度（蓝色），这似乎是超导性的必要前兆。资料来源：普林斯顿大学
2018 年，在以 1.1 度的精确角度堆叠的两个单原子厚石墨烯层（称为“魔角”扭转双层石墨烯）中发现了超导性，这让科学界感到非常惊讶。自发现以来，物理学家一直在问，是否可以使用现有理论来理解神奇石墨烯的超导性，或者是否需要全新的理论——例如在高温下显示超导性能的陶瓷化合物的方法。现在，正如《Nature》杂志报道的那样，普林斯顿大学的研究人员通过展示神奇石墨烯的超导性与高温超导体的超导性之间惊人的相似性，解决了这场争论。神奇的石墨烯可能是开启超导新机制的关键，包括高温超导。

普林斯顿大学物理学教授兼复合材料中心主任 Ali Yazdani 领导了这项研究。多年来，他和他的团队研究了许多不同类型的超导体，最近他们将注意力转向了神奇的双层石墨烯。“有人认为双层石墨烯实际上是一种伪装在非凡材料中的普通超导体，”Ali Yazdani说，“但当我们用显微镜观察它时，它具有高温铜酸盐超导体的许多特征。这是一个似曾相识的时刻。”

超导性是自然界最引人入胜的现象之一。它是一种电子自由流动而没有任何阻力的状态。电子是携带负电荷的亚原子粒子；它们对我们的生活方式至关重要，因为它们为我们的日常电子产品提供动力。在正常情况下，电子的行为是不稳定的，它们以一种最终是低效和浪费能源的方式相互跳跃和碰撞。

但在超导状态下，电子突然配对，并开始像波浪一样统一流动。在这种状态下，电子不仅不会失去能量，而且还显示出许多新的量子特性。这些特性使得一些实际应用成为可能，包括用于核磁共振和粒子加速器的磁体，以及用于制造量子计算机的量子比特。超导性最早是在铝和铌等元素的极低温度下发现的。近年来，它被发现在接近室温的超高压下，以及在刚刚超过液氮沸点（开氏77度）的陶瓷化合物中。

但并非所有的超导体超导机理都是相同的。由铝等纯元素制成的超导体是研究人员所说的传统超导体。超导状态-电子配对在一起-由所谓的 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 理论解释。这是自 1950 年代后期以来一直存在的对超导性的标准描述。但是从 80 年代后期开始，人们发现了不符合 BCS 理论的新超导体。在这些“非常规”超导体中，最引人注目的是陶瓷氧化铜（称为铜酸盐），这种材料体系产生超导性的原理在过去三十年里一直是个谜。

ablo Jarillo-Herrero和他在麻省理工学院（MIT）的团队最初在神奇的双层石墨烯中发现的超导性表明，这种材料一开始是一个绝缘体，但随着电荷载流子的少量加入，它就变成了超导性。从绝缘体而不是金属中出现超导性，是许多非常规超导体的标志之一，包括最有名的铜酸盐。

"他们怀疑超导可能是非常规的，就像铜酸盐一样，但不幸的是，他们没有任何关于超导状态的具体实验测量来支持这一结论，"博士后研究助理、该论文的主要合著者之一Myungchul Oh说。

为了研究神奇双层石墨烯的超导特性，Myungchul Oh和他的同事使用扫描隧道显微镜（STM）来观察无限小而复杂的电子世界。该设备依赖于一种被称为 "量子隧道 "的新现象，即电子在显微镜尖锐的金属尖端和样品之间被漏掉。显微镜利用这种隧道电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界。

"STM是做这些类型实验的完美工具，"物理学研究生、该论文的主要合著者之一Kevin Nuckolls说。"有许多不同的测量方法，STM可以做。它可以接触到其他[实验技术]通常无法接触到的物理变量。"

当研究小组分析数据时，他们注意到有两个主要特征非常突出，提示他们神奇的双层石墨烯样品正在表现出非常规的超导性。第一个特征是，超导的成对电子具有有限的角动量，这种行为类似于20年前在高温铜酸盐中发现的行为。当成对的电子在传统的超导体中形成时，它们不具有净角动量，其方式类似于在氢的s轨道上与氢原子结合的电子。

STM是通过电子在样品中的隧道效应来操作的。在超导体中，所有的电子都是成对的，只有当超导体的电子对被打破时，样品和STM尖端之间的电流才有可能。"打破配对需要能量，而这种电流的能量依赖性取决于配对的性质。在魔角石墨烯中，我们发现了对有限动量配对所预期的能量依赖，"Yazdani说。"这一发现有力地制约了魔法石墨烯中配对的微观机制。"

普林斯顿大学的研究小组还发现，当通过提高温度或施加磁场来淬灭超导状态时，魔角双层石墨烯是如何表现的。在传统的超导体中，当超导性被扼杀时，材料的行为与普通金属的行为相同—电子不配对。然而，在非常规超导体中，即使在不超导的情况下，电子似乎也保留了一些关联性，这种情况表现为当从样品中移除电子时大致有一个阈值能量。物理学家将这种阈值能量称为 "假隙"，这是一种在许多非常规超导体的非超导状态下发现的行为。它的起源二十多年来一直是个谜。

"努克尔斯说："一种可能性是，即使样品不是超导状态，电子仍然在某种程度上配对在一起。"这样的假隙状态就像一个失败的超导体。"

论文中指出的另一种可能性是，在超导性发生之前，必须首先形成某种其他形式的集体电子状态，而这种集体电子状态是造成假隙的原因。

"Yazdani说："无论哪种方式，与铜酸盐的伪隙的实验特征以及有限动量配对的相似性不可能都是一种巧合。"这些问题看起来非常有关系。"

Myungchul Oh说，未来的研究将涉及尝试了解是什么导致电子在非常规超导性中配对—一种继续困扰物理学家的现象。BCS理论依赖于电子之间的弱相互作用，由于它们与离子的基础振动的相互作用，它们的配对成为可能。然而，非常规超导体中的电子配对往往比简单金属中的强得多，但其原因--将它们粘合在一起的 "胶水"，目前还不清楚。

"我希望我们的研究将帮助物理学界更好地理解非常规超导的力学原理，"Myungchul Oh说。"我们进一步希望，我们的研究将激励实验物理学家一起工作，以揭开这一现象的本质。"

这项名为 "扭曲的双层石墨烯中非常规超导性的证据 "的研究于2021年10月20日发表在《自然》杂志上。

作者：本站编辑

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