【環球速看料】物理學家發現堅固的超導石墨烯結構家族

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

現在，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性。這一最新發現發表在本周的《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。這些發現可以作為設計實用的室溫超導體的藍圖。如果家族成員之間的特性可以在其他天然導電材料中得到復制，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小組是第一個發現魔角石墨烯的人，其形式是兩個石墨烯片一個放在另一個上面的雙層結構，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化為一種強大而持久的超導體。研究人員還發現，這種材料表現出一種被稱為"平帶"的電子結構，在這種結構中，材料的電子具有相同的能量，而不考慮其動量。在這種平帶狀態下，并在超低溫下，通常狂熱的電子集體放慢速度，足以在所謂的庫珀對中配對。以無阻力地流過材料。

哈佛大學的一個小組得出了計算結果，從數學上證實了三個石墨烯層，以1.6度扭曲，也會表現出平帶，并表明它們可能超導。他們繼續表明，如果以正確的方式堆疊和扭曲，以他們預測的角度，表現出超導性的石墨烯層的數量應該是沒有限制的。最后，他們證明了他們可以在數學上將每一個多層結構與一個共同的平帶結構聯系起來，有力地證明了平帶可能導致強大的超導性。

在這項工作之后不久，Jarillo-Herrero小組發現，的確，在扭曲的三層石墨烯中出現了超導性和平帶。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。但是三層結構與它的雙層對應物相比也顯示出微妙的差異。