揭开扭曲石墨烯超导的魔力

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”扭曲双层石墨烯)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方法——例如那些被编组以了解在高温下超导的神秘陶瓷化合物的方法。现在，正如《自然》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，解决了这一争论。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1909届物理学教授兼复杂材料中心主任AliYazdani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，最近将注意力转向了神奇的双层石墨烯。

“有人认为神奇的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，”亚兹达尼说，“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。”

超导性是自然界最有趣的现象之一。它是一种电子在没有任何阻力的情况下自由流动的状态。电子是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，电子行为不规律，以最终低效和浪费能量的方式相互跳跃和挤压。

但在超导下，电子突然配对并开始一致流动，就像波浪一样。在这种状态下，电子不仅不会失去能量，而且还表现出许多新的量子特性。这些特性使得许多实际应用成为可能，包括用于MRI和粒子加速器的磁铁，以及用于制造量子计算机的量子位。超导性最早是在极低温度下在铝和铌等元素中发现的。近年来，人们发现它在非常高的压力下接近室温，并且在陶瓷化合物中的温度刚好高于液氮的沸点(77开氏度)。

但并非所有的超导体都是生而平等的。

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)，在过去的三十年里一直是个谜。

麻省理工学院(MIT)的PabloJarillo-Herrero和他的团队最初在神奇双层石墨烯中发现了超导性，这表明该材料最初是绝缘体，但添加少量电荷载流子后，它就会变成超导性。来自绝缘体而非金属的超导性的出现是许多非常规超导体的标志之一，其中最著名的是铜酸盐。

“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，他们没有对超导状态进行任何具体的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MyungchulOh说。纸。

为了研究神奇双层石墨烯的超导特性，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。该设备依赖于一种称为“量子隧穿”的新现象，其中电子在显微镜的锋利金属尖端和样品之间形成漏斗。显微镜使用这种隧道电流而不是光来观察原子尺度的电子世界。

“STM是进行此类实验的完美工具，”物理学研究生、该论文的主要合著者之一凯文·纳科尔斯(KevinNuckolls)说。“STM可以进行许多不同的测量。它可以访问其他[实验技术]通常无法访问的物理变量。”

当该团队分析数据时，他们注意到两个突出的主要特征或“特征”，让他们知道神奇的双层石墨烯样品表现出非常规的超导性。第一个特征是超导成对电子具有有限的角动量，这种行为类似于二十年前在高温铜酸盐中发现的行为。当在传统超导体中形成对时，它们没有净角动量，其方式类似于电子与氢s轨道中的氢原子结合。

STM通过隧道电子进出样品来工作。在所有电子都成对的超导体中，只有当超导体的电子对断开时，样品和STM尖端之间的电流才有可能。“打破这对需要能量，而这种电流的能量依赖性取决于配对的性质。在神奇的石墨烯中，我们发现了有限动量配对所预期的能量依赖性，”亚兹达尼说。“这一发现强烈限制了神奇石墨烯中配对的微观机制。”

普林斯顿团队还发现了当通过升高温度或施加磁场使超导状态猝灭时，神奇的双层石墨烯的行为。在传统的超导体中，当超导性被杀死时，材料行为与普通金属的行为相同——电子不成对。然而，在非常规超导体中，即使没有超导，电子似乎仍保持一定的相关性，这种情况在存在从样品中去除电子的大致阈值能量时就会出现。物理学家将此阈值能量称为“伪间隙”，这是在许多非常规超导体的非超导状态中发现的一种行为。二十多年来，它的起源一直是个谜。

“一种可能性是，即使样品不是超导的，电子仍然在某种程度上配对在一起，”Nuckolls说。“这种伪间隙状态就像一个失败的超导体。”

另一种可能性，在Nature论文中指出，是在超导发生之前，必须首先形成某种其他形式的集体电子态，它负责赝隙。

“无论哪种方式，与铜酸盐以及有限动量配对的peusdogap实验特征的相似之处不可能完全是巧合，”亚兹达尼说。“这些问题看起来非常相关。”

Oh说，未来的研究将包括试图了解是什么导致电子在非常规超导中配对——这种现象继续困扰着物理学家。BCS理论依赖于电子之间的弱相互作用，由于它们与离子的潜在振动相互作用，因此它们的配对成为可能。然而，非常规超导体中的电子配对通常比简单金属中的电子配对强得多，但其原因——将它们粘合在一起的“胶水”——目前尚不清楚。

“我希望我们的研究能帮助物理学界更好地理解非常规超导的机制，”Oh说。“我们进一步希望我们的研究将激励实验物理学家共同努力，以揭示这种现象的本质。”

这项名为“扭曲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。

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