《自然》確鑿證據：實驗揭開石墨烯「魔角」超導體的奧秘！

一種新材料中超導性的驚人發現讓科學界議論紛紛，這種材料通過將一層碳片疊在另一層碳片上，並以「魔角」的角度扭曲頂部碳片，使電子能夠毫無阻力地流動，這一特性可以顯著提高能源效率的電力傳輸，並引入一系列新技術。現在，普林斯頓大學進行的新實驗揭示了這種被稱為「魔角」扭曲雙層石墨烯物質是如何產生超導性的，普林斯頓大學科學家提供了確鑿的證據，其研究2019年7月31日發表在《自然》(Nature)期刊上。

證明超導行為源自電子之間的強相互作用，從而對電子在超導出現時遵循的規則有了深入了解。物理學教授、該研究的高級作者阿里·亞扎尼(Ali Yazdani)說：這是物理學中最熱門的話題之一，這是一種非常簡單的材料，就是兩片碳，把一塊放在另一塊上面，它就顯示出超導性。超導性究竟是如何產生的，這是一個謎，全世界的實驗室都在競相解開。這個領域甚至有一個名字「twistronics」。令人興奮的部分原因是，與現有超導體相比，這種材料很容易研究，因為它只有兩層，而且只有一種原子——碳。

專攻解釋複雜材料理論的物理學教授安德烈·伯納維格(B. Andrei Bernevig)說：這種新材料的主要特點是，它是過去40年來人們一直在思考各種物理問題的遊樂場。這種新材料的超導性似乎是通過一種與傳統超導體截然不同的機制發揮作用。傳統超導體目前被用於強力磁鐵和其他有限的應用領域。這種新材料與上世紀80年代發現的銅基高溫超導體銅酸鹽有相似之處。銅酸鹽的發現，成就了1987年的諾貝爾物理學獎。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年諾貝爾物理學獎得主獲獎原因。

石墨烯有一個扁平的蜂窩狀結構，就像一根鐵絲網。麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero和團隊在第一層石墨烯上放置了第二層石墨烯，然後將第一層石墨烯旋轉了大約1.1度的「魔角」角度。早些時候，物理學家曾預測這個角度會導致新的電子相互作用，但當麻省理工學院(MIT)的科學家們展示出超導性時，這個角度令人震驚。從上面看，重疊的絲網圖案產生了一種閃爍效果般的波紋，被稱為「摩爾紋」，當兩個幾何規則的圖案重疊時就會出現這種效果，這種圖案曾在17和18世紀的皇室成員織物和時裝中流行。

這些「摩爾紋」圖案產生了普通材料所沒有的新特性，大多數普通材料都屬於從絕緣到導電的階段。絕緣體把電子困在能阱或能級中，使它們保持固定，而金屬則含有能使電子從一個原子飛到另一個原子的能態。在這兩種情況下，電子佔據不同的能級，不相互作用，也不參與集體行為。然而，在扭曲石墨烯中，莫爾晶格的物理結構會產生能量狀態，阻止電子分開，迫使它們相互作用。這是在創造一種條件，使電子無法相互離開，相反，它們必須處於相似的能級，這是創造高度糾纏態的首要條件。研究人員提出的問題是，這種糾纏是否與其超導性有關。

許多簡單的金屬也具有超導性，但迄今為止發現的所有高溫超導體，包括銅，都顯示出電子間相互排斥引起的高度糾纏態。電子之間強相互作用似乎是實現更高溫度超導性的關鍵。為了解決這個問題，普林斯頓大學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原子。研究小組掃描了「魔角」扭曲石墨烯的樣品，通過向附近的電極施加電壓來控制電子數量。該研究提供了扭曲雙層石墨烯中電子行為的微觀信息，而迄今為止大多數其他研究只監測了宏觀導電。

通過將電子數量調到非常低或非常高的濃度，觀察到電子幾乎是獨立的行為，就像它們在簡單金屬中的行為一樣。然而，在該體系中發現超導電子的臨界濃度時，電子突然顯示出強相互作用和糾纏的跡象。在超導性出現的濃度處，發現電子能級變得出乎意料地廣泛，這些信號證實了強相互作用和糾纏。儘管如此，雖然這些實驗為進一步的研究打開了大門，但需要做更多的研究來詳細了解正在發生的糾纏類型。關於這些系統，還有很多不了解的地方，甚至還遠未觸及通過實驗和理論建模可以學到東西的皮毛。

博科園｜研究/來自：普林斯頓大學

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1422-x

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