一種新材料中超導(dǎo)性的驚人發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)界議論紛紛，這種材料通過(guò)將一層碳片疊在另一層碳片上，并以“魔角”的角度扭曲頂部碳片，使電子能夠毫無(wú)阻力地流動(dòng)，這一特性可以顯著提高能源效率的電力傳輸，并引入一系列新技術(shù)。

現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)進(jìn)行的新實(shí)驗(yàn)揭示了這種被稱為“魔角”扭曲雙層石墨烯物質(zhì)是如何產(chǎn)生超導(dǎo)性的，普林斯頓大學(xué)科學(xué)家提供了確鑿的證據(jù)，其研究2019年7月31日發(fā)表在《自然》(Nature)期刊上。

證明超導(dǎo)行為源自電子之間的強(qiáng)相互作用，從而對(duì)電子在超導(dǎo)出現(xiàn)時(shí)遵循的規(guī)則有了深入了解。物理學(xué)教授、該研究的高級(jí)作者阿里·亞扎尼(Ali Yazdani)說(shuō)：這是物理學(xué)中最熱門的話題之一，這是一種非常簡(jiǎn)單的材料，就是兩片碳，把一塊放在另一塊上面，它就顯示出超導(dǎo)性。超導(dǎo)性究竟是如何產(chǎn)生的，這是一個(gè)謎，全世界的實(shí)驗(yàn)室都在競(jìng)相解開。這個(gè)領(lǐng)域甚至有一個(gè)名字“twistronics”。令人興奮的部分原因是，與現(xiàn)有超導(dǎo)體相比，這種材料很容易研究，因?yàn)樗挥袃蓪樱抑挥幸环N原子——碳。

專攻解釋復(fù)雜材料理論的物理學(xué)教授安德烈·伯納維格(B. Andrei Bernevig)說(shuō)：這種新材料的主要特點(diǎn)是，它是過(guò)去40年來(lái)人們一直在思考各種物理問(wèn)題的游樂(lè)場(chǎng)。這種新材料的超導(dǎo)性似乎是通過(guò)一種與傳統(tǒng)超導(dǎo)體截然不同的機(jī)制發(fā)揮作用。傳統(tǒng)超導(dǎo)體目前被用于強(qiáng)力磁鐵和其他有限的應(yīng)用領(lǐng)域。這種新材料與上世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的銅基高溫超導(dǎo)體銅酸鹽有相似之處。銅酸鹽的發(fā)現(xiàn)，成就了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種新材料由兩片原子厚度的碳組成，即石墨烯。石墨烯也是2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主獲獎(jiǎng)原因。

石墨烯有一個(gè)扁平的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，就像一根鐵絲網(wǎng)。麻省理工學(xué)院的Pablo Jarillo-Herrero和團(tuán)隊(duì)在第一層石墨烯上放置了第二層石墨烯，然后將第一層石墨烯旋轉(zhuǎn)了大約1.1度的“魔角”角度。早些時(shí)候，物理學(xué)家曾預(yù)測(cè)這個(gè)角度會(huì)導(dǎo)致新的電子相互作用，但當(dāng)麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家們展示出超導(dǎo)性時(shí)，這個(gè)角度令人震驚。從上面看，重疊的絲網(wǎng)圖案產(chǎn)生了一種閃爍效果般的波紋，被稱為“摩爾紋”，當(dāng)兩個(gè)幾何規(guī)則的圖案重疊時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種效果，這種圖案曾在17和18世紀(jì)的皇室成員織物和時(shí)裝中流行。

這些“摩爾紋”圖案產(chǎn)生了普通材料所沒(méi)有的新特性，大多數(shù)普通材料都屬于從絕緣到導(dǎo)電的階段。絕緣體把電子困在能阱或能級(jí)中，使它們保持固定，而金屬則含有能使電子從一個(gè)原子飛到另一個(gè)原子的能態(tài)。在這兩種情況下，電子占據(jù)不同的能級(jí)，不相互作用，也不參與集體行為。然而，在扭曲石墨烯中，莫爾晶格的物理結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生能量狀態(tài)，阻止電子分開，迫使它們相互作用。這是在創(chuàng)造一種條件，使電子無(wú)法相互離開，相反，它們必須處于相似的能級(jí)，這是創(chuàng)造高度糾纏態(tài)的首要條件。研究人員提出的問(wèn)題是，這種糾纏是否與其超導(dǎo)性有關(guān)。

許多簡(jiǎn)單的金屬也具有超導(dǎo)性，但迄今為止發(fā)現(xiàn)的所有高溫超導(dǎo)體，包括銅，都顯示出電子間相互排斥引起的高度糾纏態(tài)。電子之間強(qiáng)相互作用似乎是實(shí)現(xiàn)更高溫度超導(dǎo)性的關(guān)鍵。為了解決這個(gè)問(wèn)題，普林斯頓大學(xué)的研究人員使用了掃描隧道顯微鏡。這種顯微鏡非常靈敏，可以成像表面上的單個(gè)原子。研究小組掃描了“魔角”扭曲石墨烯的樣品，通過(guò)向附近的電極施加電壓來(lái)控制電子數(shù)量。該研究提供了扭曲雙層石墨烯中電子行為的微觀信息，而迄今為止大多數(shù)其他研究只監(jiān)測(cè)了宏觀導(dǎo)電。

通過(guò)將電子數(shù)量調(diào)到非常低或非常高的濃度，觀察到電子幾乎是獨(dú)立的行為，就像它們?cè)诤?jiǎn)單金屬中的行為一樣。然而，在該體系中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電子的臨界濃度時(shí)，電子突然顯示出強(qiáng)相互作用和糾纏的跡象。在超導(dǎo)性出現(xiàn)的濃度處，發(fā)現(xiàn)電子能級(jí)變得出乎意料地廣泛，這些信號(hào)證實(shí)了強(qiáng)相互作用和糾纏。盡管如此，雖然這些實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步的研究打開了大門，但需要做更多的研究來(lái)詳細(xì)了解正在發(fā)生的糾纏類型。關(guān)于這些系統(tǒng)，還有很多不了解的地方，甚至還遠(yuǎn)未觸及通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論建?？梢詫W(xué)到東西的皮毛。

博科園｜研究/來(lái)自：普林斯頓大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1422-x

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