今日热门!扭曲到1.08度"魔角"的超导石墨烯中的量子几何魔法

2023-03-05 11:26:53 来源：cnBeta

研究人员已经产生了新的证据，证明石墨烯在扭曲到一个精确的角度时，可以成为一个超导体，在不损失能量的情况下移动电力。在2023年2月15日发表在《自然》杂志上的一项研究中，由俄亥俄州立大学的物理学家领导的团队报告了他们发现量子几何在允许这种扭曲的石墨烯成为超导体方面所起的关键作用。

石墨烯是单层的碳原子，2018年，麻省理工学院的科学家们发现，在适当的条件下，如果将一块石墨烯铺在另一块石墨烯上，并将这两层石墨烯扭曲到一个特定的角度--1.08度--形成扭曲的双层石墨烯，石墨烯就可以成为超导体。

自那以后，科学家们一直在研究这种扭曲的双层石墨烯，并试图弄清楚这个"神奇的角度"是如何工作的，俄亥俄州立大学物理学教授、《自然》杂志论文的共同作者Marc Bockrath说。

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"传统的超导理论在这种情况下不起作用，"Bockrath说。"我们做了一系列的实验，以了解这种材料成为超导体的根源。"

在传统金属中，高速电子负责导电性。但是扭曲的双层石墨烯有一种被称为"平带"的电子结构，其中电子的移动速度非常慢--事实上，如果角度正好是神奇的1，其速度接近零。

研究报告的共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授Jeanie Lau说，根据传统的超导理论，移动速度如此缓慢的电子不应该能够导电。论文的第一作者、Lau研究小组的一名学生Haidong Tian以极高的精度获得了一个非常接近"魔角"的装置，按照通常的凝聚态物理学标准，电子几乎被阻止。但该样品还是显示出了超导性。

"这是一个悖论：运动如此缓慢的电子怎么可能导电？更不用说超导了。"Lau说。

在他们的实验中，研究小组证明了电子的缓慢速度，并对电子运动进行了比以前更精确的测量。而且他们还发现了使这种石墨烯材料如此特别的第一个线索。

"我们不能用电子的速度来解释扭曲的双层石墨烯是如何工作的，"Bockrath说。"相反，我们不得不使用量子几何。"

就像所有的量子一样，量子几何是复杂的，不是直观的。但这项研究的结果与以下事实有关：电子不仅是一个粒子，也是一个波--因此有波函数。

"平带中的量子波函数的几何形状，加上电子之间的相互作用，导致电流在双层石墨烯中流动而不耗散，"共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授Mohit Randeria说。

"我们发现，传统的方程式可以解释我们发现的超导信号的10%。我们的实验测量表明，量子几何是使其成为超导体的90%，"Lau说。

这种材料的超导效应只能在极低温度的实验中发现。最终的目标是能够了解导致高温超导的因素，这在现实世界的应用中可能会很有用，例如电力传输和通信。

"这将对社会产生巨大的影响，这是一个漫长的过程，但这项研究肯定会使我们在理解它如何发生方面取得进展。"

关键词：麻省理工学院 2019未来科学大奖俄亥俄州