石墨烯的量子魔法帶來了新超導材料

現在，來自名古屋大學的研究人員已經詳細地展示了一類新超導材料--魔角扭曲雙層石墨烯--的超導特性。

一種材料要表現為超導體需要低溫條件。事實上，大多數材料只有在極低的溫度下才會進入超導階段，比如-270°C，這比在太空中觀察到的溫度還要低。這意味著需要高度的冷卻。然而由于這種大量的冷卻需要高度昂貴和專門的液氦冷卻設備，所以它的實際用途受到了嚴重限制。這就是超導技術仍處于早期階段的主要原因。

高溫超導體(HTS)如一些鐵基和銅基超導體在-200℃以上達到超導階段，這個溫度通過用液氮冷卻設備更容易達到，液氮可以將系統冷卻到-195.8℃。然而，到目前為止，HTS的工業和商業應用還非常有限。目前已知的和可用的HTS材料都是脆性的陶瓷材料，它們無法彎曲成可用的形狀如電線。此外，它們的生產難度和成本也是眾所周知的。這使得對新型超導材料的探索變得至關重要，這也是名古屋大學物理系的Hiroshi Kontani教授和Seiichiro Onari博士等物理學家的主要研究重點。

最近，一種新材料被提議作為潛在的超導體，其稱為魔角扭曲雙層石墨烯(MATBG)。在MATBG中，雙層石墨烯本質上是排列在蜂窩狀晶格中的單一二維碳層，其以一個神奇的角度（約1.1度）偏移，這帶來了旋轉對稱性的破壞并形成一種被稱為SU(4)的高階對稱性。隨著溫度的變化，系統經歷了量子波動，就像原子結構中的水波紋一樣，這引發了電子結構的新自發變化和對稱性的降低。這種旋轉對稱性的破壞被稱為向列狀態，并跟其他材料的超導特性密切相關。

Kontani教授和Onari博士在他們最近發表在《Physical Review Letters》上的工作中通過使用理論方法更好地理解和強調了MATBG中這種向列態的來源。

研究人員發現，MATBG中的向列秩序源于一個新的自由度的波動之間的干擾，該自由度結合了谷底自由度和自旋自由度，這一點在傳統的強相關電子系統中還沒有被報道過。扭曲雙層石墨烯的超導轉變溫度非常低，為1K（-272℃），但向列狀態設法將其提高了好幾度。

研究結果還表明，盡管MATBG在某些方面的表現跟鐵基高溫超導體相似，但它也有一些令人相當興奮的獨特性質，如凈電荷環流在谷底極化狀態下產生磁場，而環流在向列狀態下會被每個谷底抵消。此外，石墨烯的可塑性還可以在增加這些超導體的實際應用中發揮重要作用。

隨著對超導基本機制的更好理解，科學和技術離真正的超導未來將變得越來越近。