近幾十年來，科學(xué)家們?cè)谔剿骱徒忉尭邷爻瑢?dǎo)體(high- tc)方面進(jìn)行了大量的研究，高溫超導(dǎo)體是一類在高溫下表現(xiàn)為零電阻的材料。

現(xiàn)在，來自美國、德國和日本的一組科學(xué)家在《自然》上解釋了扭曲雙層石墨烯中的電子結(jié)構(gòu)如何影響這些系統(tǒng)中絕緣狀態(tài)的出現(xiàn)，而絕緣狀態(tài)是高溫材料超導(dǎo)性的前身。找到一種能在室溫下進(jìn)行超導(dǎo)的材料，將引發(fā)一場技術(shù)革命，緩解能源危機(jī)(目前大多數(shù)能源都是在從生產(chǎn)到使用的過程中流失)。

并將計(jì)算性能提升到一個(gè)全新的水平，然而，盡管在理解這些系統(tǒng)方面取得了進(jìn)展，完整的理論描述仍然是難以捉摸，這使得尋找室溫超導(dǎo)主要是偶然的。在此前的一項(xiàng)重大科學(xué)突破中，雙絞層石墨烯(TBLG)顯示出類似于某一類高溫超導(dǎo)材料（即所謂的高溫銅酸鹽）的物質(zhì)相。這代表了一種通過更清潔和更可控的實(shí)驗(yàn)設(shè)置新方法。來自馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所(MPSD)、柏林自由大學(xué)(均在德國)、哥倫比亞大學(xué)

熨斗研究所計(jì)算量子物理中心和日本國家材料科學(xué)研究所的科學(xué)家們將重點(diǎn)放在了TBLG絕緣狀態(tài)上。這種材料由兩層原子厚度的石墨烯組成，以非常微小的角度相互堆疊。在這種結(jié)構(gòu)中，絕緣狀態(tài)先于高溫超導(dǎo)相。因此，更好地理解這一階段以及導(dǎo)致這一階段的原因?qū)τ诳刂迫蝿?wù)型分組至關(guān)重要?？茖W(xué)家們使用掃描隧道顯微鏡和光譜學(xué)(STM/STS)對(duì)樣品進(jìn)行了研究。用這種顯微技術(shù)，可以一個(gè)原子一個(gè)原子地檢查導(dǎo)電表面。采用開創(chuàng)性“撕裂疊加”方法，將兩層原子厚度的石墨烯疊加在一起，并輕輕旋轉(zhuǎn)。

然后，研究小組直接繪制出了這種材料的原子尺度結(jié)構(gòu)和電子特性，接近1.1°左右的“魔角”。發(fā)表在《自然》(Nature)上的這些發(fā)現(xiàn)，為研究TBLG中超導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生提供了新線索。研究小組觀察到，在超導(dǎo)狀態(tài)之前的絕緣狀態(tài)，出現(xiàn)在系統(tǒng)充滿電子的特定水平。這使得科學(xué)家們能夠估計(jì)這些系統(tǒng)中電子之間相互作用的強(qiáng)度和性質(zhì)——這是向描述邁出的關(guān)鍵一步。結(jié)果表明，局域態(tài)密度的兩個(gè)不同范霍夫奇點(diǎn)(vHs)出現(xiàn)在40-57 meV的摻雜依賴分離魔角附近。

這是第一次清楚地表明vHs的分離比之前認(rèn)為的要大得多，此外該團(tuán)隊(duì)清楚地表明，當(dāng)系統(tǒng)摻雜近半莫爾帶填充時(shí)，vHs分裂成兩個(gè)峰值。這種摻雜依賴的分裂是由相關(guān)誘導(dǎo)間隙來解釋，這意味著在TBLG中，電子誘導(dǎo)的相互作用起著重要作用。庫侖相互作用與每個(gè)vHs的帶寬之比，比vHs的分離更能決定魔角。這表明相鄰的超導(dǎo)態(tài)是由電子-電子相互作用的協(xié)同配對(duì)機(jī)制驅(qū)動(dòng)的。此外，STS結(jié)果表明了一定程度的電子向列相性(底層晶格旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的自發(fā)破壞)，很像在超導(dǎo)態(tài)附近銅中觀察到的情況。

通過這項(xiàng)研究，該團(tuán)隊(duì)向證明高tc銅酸鹽和TBLG材料的物理等效性邁出了關(guān)鍵一步。因此，本研究中通過TBLG獲得的見解將進(jìn)一步理解銅酸鹽中高溫超導(dǎo)性，并有助于更好地分析這些迷人系統(tǒng)的詳細(xì)工作原理。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)運(yùn)輸過程中超導(dǎo)和絕緣狀態(tài)性質(zhì)所做的研究，將使研究人員能夠?qū)碚撨M(jìn)行基準(zhǔn)測試，并有望最終將TBLG理解為更完整地描述高溫銅酸鹽的踏腳石。在未來，這將為在這些和類似系統(tǒng)中提高超導(dǎo)溫度更系統(tǒng)的方法鋪平道路。

博科園｜研究/來自：馬克斯普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究所

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1431-9

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