【環(huán)球速看料】物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)堅固的超導(dǎo)石墨烯結(jié)構(gòu)家族

(相關(guān)資料圖)

2018年，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，如果兩個石墨烯層以一個非常具體的"神奇"角度堆疊，扭曲的雙層結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出強大的超導(dǎo)性，這是一種廣泛尋求的材料狀態(tài)，其中電流可以以零能量損失流過。最近，同一研究小組發(fā)現(xiàn)在扭曲的三層石墨烯中存在類似的超導(dǎo)狀態(tài)，一種由三個石墨烯層以精確的新魔法角度堆疊而成的結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，該小組報告說四層和五層石墨烯可以以新的神奇角度扭曲和堆疊，在低溫下引起強大的超導(dǎo)性。這一最新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在本周的《自然-材料》雜志上，將石墨烯的各種扭曲和堆疊配置確立為第一個已知的多層魔角超導(dǎo)體的"家族"。研究小組還確定了石墨烯家族成員之間的相似性和差異。這些發(fā)現(xiàn)可以作為設(shè)計實用的室溫超導(dǎo)體的藍圖。如果家族成員之間的特性可以在其他天然導(dǎo)電材料中得到復(fù)制，那么它們就可以被利用，例如，在沒有耗散的情況下輸送電力，或者建造無摩擦運行的磁懸浮列車。

Jarillo-Herrero小組是第一個發(fā)現(xiàn)魔角石墨烯的人，其形式是兩個石墨烯片一個放在另一個上面的雙層結(jié)構(gòu)，并以1.1度的精確角度稍微偏移。這種扭曲的配置，即所謂的摩爾超晶格，在超低溫度下將這種材料轉(zhuǎn)化為一種強大而持久的超導(dǎo)體。研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種材料表現(xiàn)出一種被稱為"平帶"的電子結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，材料的電子具有相同的能量，而不考慮其動量。在這種平帶狀態(tài)下，并在超低溫下，通?？駸岬碾娮蛹w放慢速度，足以在所謂的庫珀對中配對。以無阻力地流過材料。

哈佛大學(xué)的一個小組得出了計算結(jié)果，從數(shù)學(xué)上證實了三個石墨烯層，以1.6度扭曲，也會表現(xiàn)出平帶，并表明它們可能超導(dǎo)。他們繼續(xù)表明，如果以正確的方式堆疊和扭曲，以他們預(yù)測的角度，表現(xiàn)出超導(dǎo)性的石墨烯層的數(shù)量應(yīng)該是沒有限制的。最后，他們證明了他們可以在數(shù)學(xué)上將每一個多層結(jié)構(gòu)與一個共同的平帶結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，有力地證明了平帶可能導(dǎo)致強大的超導(dǎo)性。

在這項工作之后不久，Jarillo-Herrero小組發(fā)現(xiàn)，的確，在扭曲的三層石墨烯中出現(xiàn)了超導(dǎo)性和平帶。三層石墨烯片，像奶酪三明治一樣堆疊在一起，中間的奶酪層相對于夾在中間的外層移動了1.6度。但是三層結(jié)構(gòu)與它的雙層對應(yīng)物相比也顯示出微妙的差異。