发现超导魔角的魔力

研究人员已经提供了新的证据，证明石墨烯在被扭曲到一个精确的角度时如何成为超导体，在不损失能量的情况下移动电力。

在今天(2023年2月15日)发表在《自然》杂志上的一项研究中，由俄亥俄州立大学物理学家领导的团队报告了他们发现量子几何在允许这种扭曲的石墨烯成为超导体方面发挥的关键作用。

石墨烯是单层碳原子，铅笔中的铅。

2018年，麻省理工学院的科学家发现，在适当的条件下，如果将一片石墨烯放在另一片石墨烯之上，并将这些层扭曲到特定角度(1.08度)，从而产生扭曲，石墨烯就可以成为超导体双层石墨烯。

“从那时起，科学家们一直在研究这种扭曲的双层石墨烯，并试图弄清楚这种‘魔角’是如何工作的，”俄亥俄州立大学物理学教授、《自然》杂志论文的合著者马克·博克拉斯(MarcBockrath)说。

“传统的超导理论在这种情况下不起作用，”Bockrath说。“我们做了一系列实验来了解为什么这种材料是超导体的起源。”

在传统金属中，高速电子负责导电。

但是扭曲的双层石墨烯有一种被称为“平带”的电子结构，电子在其中移动非常缓慢——实际上，如果角度恰好处于神奇的角度，电子的速度接近于零。

该研究的合著者、俄亥俄州立大学物理学教授JeanieLau说，根据传统的超导理论，如此缓慢移动的电子不应该能够导电。

该论文的第一作者、刘研究小组的学生田海东非常精确地获得了一种非常接近魔角的装置，以至于电子几乎被通常的凝聚态物理标准所阻止。尽管如此，该样品仍显示出超导性。

“这是一个悖论：运动如此缓慢的电子怎么会导电，更不用说超导了?这非常了不起，”刘说。

在他们的实验中，研究小组展示了电子的低速，并提供了比以前更精确的电子运动测量。

他们还找到了关于是什么让这种石墨烯材料如此特别的第一条线索。

“我们不能用电子的速度来解释扭曲的双层石墨烯是如何工作的，”Bockrath说。“相反，我们不得不使用量子几何学。”

与一切量子事物一样，量子几何是复杂且不直观的。但这项研究的结果与一个事实有关，即电子不仅是一个粒子，而且还是一个波——因此具有波函数。

“平带中量子波函数的几何形状，以及电子之间的相互作用，导致电流在双层石墨烯中流动而不会耗散，”合著者、俄亥俄州立大学物理学教授MohitRanderia说。

“我们发现传统方程可以解释我们发现的超导信号的10%。我们的实验测量表明量子几何是使它成为超导体的90%，”Lau说。

这种材料的超导效应只能在极低温度下的实验中才能发现。Bockrath说，最终目标是能够了解导致高温超导性的因素，这将在现实世界的应用中发挥潜在作用，例如电力传输和通信。

“这将对社会产生巨大影响，”他说。“这还有很长的路要走，但这项研究肯定会推动我们了解它是如何发生的。”