絕緣狀態是高溫超導性的前身？找到室溫超導材料，將引發技術革命

2020-10-18 博科園

近幾十年來，科學家們在探索和解釋高溫超導體(high- tc)方面進行了大量的研究，高溫超導體是一類在高溫下表現為零電阻的材料。現在，來自美國、德國和日本的一組科學家在《自然》上解釋了扭曲雙層石墨烯中的電子結構如何影響這些系統中絕緣狀態的出現，而絕緣狀態是高溫材料超導性的前身。找到一種能在室溫下進行超導的材料，將引發一場技術革命，緩解能源危機(目前大多數能源都是在從生產到使用的過程中流失)。

並將計算性能提升到一個全新的水平，然而，儘管在理解這些系統方面取得了進展，完整的理論描述仍然是難以捉摸，這使得尋找室溫超導主要是偶然的。在此前的一項重大科學突破中，雙絞層石墨烯(TBLG)顯示出類似於某一類高溫超導材料（即所謂的高溫銅酸鹽）的物質相。這代表了一種通過更清潔和更可控的實驗設置新方法。來自馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所(MPSD)、柏林自由大學(均在德國)、哥倫比亞大學

熨鬥研究所計算量子物理中心和日本國家材料科學研究所的科學家們將重點放在了TBLG絕緣狀態上。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。在這種結構中，絕緣狀態先於高溫超導相。因此，更好地理解這一階段以及導致這一階段的原因對於控制任務型分組至關重要。科學家們使用掃描隧道顯微鏡和光譜學(STM/STS)對樣品進行了研究。用這種顯微技術，可以一個原子一個原子地檢查導電錶面。採用開創性「撕裂疊加」方法，將兩層原子厚度的石墨烯疊加在一起，並輕輕旋轉。

然後，研究小組直接繪製出了這種材料的原子尺度結構和電子特性，接近1.1°左右的「魔角」。發表在《自然》(Nature)上的這些發現，為研究TBLG中超導現象的產生提供了新線索。研究小組觀察到，在超導狀態之前的絕緣狀態，出現在系統充滿電子的特定水平。這使得科學家們能夠估計這些系統中電子之間相互作用的強度和性質——這是向描述邁出的關鍵一步。結果表明，局域態密度的兩個不同範霍夫奇點(vHs)出現在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的分離比之前認為的要大得多，此外該團隊清楚地表明，當系統摻雜近半莫爾帶填充時，vHs分裂成兩個峰值。這種摻雜依賴的分裂是由相關誘導間隙來解釋，這意味著在TBLG中，電子誘導的相互作用起著重要作用。庫侖相互作用與每個vHs的帶寬之比，比vHs的分離更能決定魔角。這表明相鄰的超導態是由電子-電子相互作用的協同配對機制驅動的。此外，STS結果表明了一定程度的電子向列相性(底層晶格旋轉對稱性的自發破壞)，很像在超導態附近銅中觀察到的情況。

通過這項研究，該團隊向證明高tc銅酸鹽和TBLG材料的物理等效性邁出了關鍵一步。因此，本研究中通過TBLG獲得的見解將進一步理解銅酸鹽中高溫超導性，並有助於更好地分析這些迷人系統的詳細工作原理。研究團隊對運輸過程中超導和絕緣狀態性質所做的研究，將使研究人員能夠對理論進行基準測試，並有望最終將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中提高超導溫度更系統的方法鋪平道路。

博科園｜研究/來自：馬克斯普朗克物質結構和動力學研究所

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1431-9

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