石墨烯的量子魔法帶來了新超導(dǎo)材料

現(xiàn)在，來自名古屋大學(xué)的研究人員已經(jīng)詳細(xì)地展示了一類新超導(dǎo)材料--魔角扭曲雙層石墨烯--的超導(dǎo)特性。

一種材料要表現(xiàn)為超導(dǎo)體需要低溫條件。事實(shí)上，大多數(shù)材料只有在極低的溫度下才會(huì)進(jìn)入超導(dǎo)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(shè)備，所以它的實(shí)際用途受到了嚴(yán)重限制。這就是超導(dǎo)技術(shù)仍處于早期階段的主要原因。

高溫超導(dǎo)體(HTS)如一些鐵基和銅基超導(dǎo)體在-200℃以上達(dá)到超導(dǎo)階段，這個(gè)溫度通過用液氮冷卻設(shè)備更容易達(dá)到，液氮可以將系統(tǒng)冷卻到-195.8℃。然而，到目前為止，HTS的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)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(chǎn)難度和成本也是眾所周知的。這使得對(duì)新型超導(dǎo)材料的探索變得至關(guān)重要，這也是名古屋大學(xué)物理系的Hiroshi Kontani教授和Seiichiro Onari博士等物理學(xué)家的主要研究重點(diǎn)。

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

Kontani教授和Onari博士在他們最近發(fā)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(qiáng)調(diào)了MATBG中這種向列態(tài)的來源。

研究人員發(fā)現(xiàn)，MATBG中的向列秩序源于一個(gè)新的自由度的波動(dòng)之間的干擾，該自由度結(jié)合了谷底自由度和自旋自由度，這一點(diǎn)在傳統(tǒng)的強(qiáng)相關(guān)電子系統(tǒng)中還沒有被報(bào)道過。扭曲雙層石墨烯的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度非常低，為1K（-272℃），但向列狀態(tài)設(shè)法將其提高了好幾度。

研究結(jié)果還表明，盡管MATBG在某些方面的表現(xiàn)跟鐵基高溫超導(dǎo)體相似，但它也有一些令人相當(dāng)興奮的獨(dú)特性質(zhì)，如凈電荷環(huán)流在谷底極化狀態(tài)下產(chǎn)生磁場(chǎng)，而環(huán)流在向列狀態(tài)下會(huì)被每個(gè)谷底抵消。此外，石墨烯的可塑性還可以在增加這些超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

隨著對(duì)超導(dǎo)基本機(jī)制的更好理解，科學(xué)和技術(shù)離真正的超導(dǎo)未來將變得越來越近。