一种新材料中超导性的惊人发现让科学界议论纷纷，这种材料通过将一层碳片叠在另一层碳片上，并以“魔角”的角度扭曲顶部碳片，使电子能够毫无阻力地流动，这一特性可以显著提高能源效率的电力传输，并引入一系列新技术。现在，普林斯顿大学进行的新实验揭示了这种被称为“魔角”扭曲双层石墨烯物质是如何产生超导性的，普林斯顿大学科学家提供了确凿的证据，其研究2019年7月31日发表在《自然》(Nature)期刊上。
证明超导行为源自电子之间的强相互作用，从而对电子在超导出现时遵循的规则有了深入了解。物理学教授、该研究的高级作者阿里·亚扎尼(Ali Yazdani)说：这是物理学中最热门的话题之一，这是一种非常简单的材料，就是两片碳，把一块放在另一块上面，它就显示出超导性。超导性究竟是如何产生的，这是一个谜，全世界的实验室都在竞相解开。这个领域甚至有一个名字“twistronics”。令人兴奋的部分原因是，与现有超导体相比，这种材料很容易研究，因为它只有两层，而且只有一种原子——碳。
专攻解释复杂材料理论的物理学教授安德烈·伯纳维格(B. Andrei Bernevig)说：这种新材料的主要特点是，它是过去40年来人们一直在思考各种物理问题的游乐场。这种新材料的超导性似乎是通过一种与传统超导体截然不同的机制发挥作用。传统超导体目前被用于强力磁铁和其他有限的应用领域。这种新材料与上世纪80年代发现的铜基高温超导体铜酸盐有相似之处。铜酸盐的发现，成就了1987年的诺贝尔物理学奖。这种新材料由两片原子厚度的碳组成，即石墨烯。石墨烯也是2010年诺贝尔物理学奖得主获奖原因。
石墨烯有一个扁平的蜂窝状结构，就像一根铁丝网。麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和团队在第一层石墨烯上放置了第二层石墨烯，然后将第一层石墨烯旋转了大约1.1度的“魔角”角度。早些时候，物理学家曾预测这个角度会导致新的电子相互作用，但当麻省理工学院(MIT)的科学家们展示出超导性时，这个角度令人震惊。从上面看，重叠的丝网图案产生了一种闪烁效果般的波纹，被称为“摩尔纹”，当两个几何规则的图案重叠时就会出现这种效果，这种图案曾在17和18世纪的皇室成员织物和时装中流行。
这些“摩尔纹”图案产生了普通材料所没有的新特性，大多数普通材料都属于从绝缘到导电的阶段。绝缘体把电子困在能阱或能级中，使它们保持固定，而金属则含有能使电子从一个原子飞到另一个原子的能态。在这两种情况下，电子占据不同的能级，不相互作用，也不参与集体行为。然而，在扭曲石墨烯中，莫尔晶格的物理结构会产生能量状态，阻止电子分开，迫使它们相互作用。这是在创造一种条件，使电子无法相互离开，相反，它们必须处于相似的能级，这是创造高度纠缠态的首要条件。研究人员提出的问题是，这种纠缠是否与其超导性有关。
许多简单的金属也具有超导性，但迄今为止发现的所有高温超导体，包括铜，都显示出电子间相互排斥引起的高度纠缠态。电子之间强相互作用似乎是实现更高温度超导性的关键。为了解决这个问题，普林斯顿大学的研究人员使用了扫描隧道显微镜。这种显微镜非常灵敏，可以成像表面上的单个原子。研究小组扫描了“魔角”扭曲石墨烯的样品，通过向附近的电极施加电压来控制电子数量。该研究提供了扭曲双层石墨烯中电子行为的微观信息，而迄今为止大多数其他研究只监测了宏观导电。
通过将电子数量调到非常低或非常高的浓度，观察到电子几乎是独立的行为，就像它们在简单金属中的行为一样。然而，在该体系中发现超导电子的临界浓度时，电子突然显示出强相互作用和纠缠的迹象。在超导性出现的浓度处，发现电子能级变得出乎意料地广泛，这些信号证实了强相互作用和纠缠。尽管如此，虽然这些实验为进一步的研究打开了大门，但需要做更多的研究来详细了解正在发生的纠缠类型。关于这些系统，还有很多不了解的地方，甚至还远未触及通过实验和理论建模可以学到东西的皮毛。
博科园｜研究/来自：普林斯顿大学
参考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1422-x
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