发现超导魔角的魔力

研究人员已经提出了新的证据，证明石墨烯在扭曲到精确的角度时如何成为超导体，在不损失能量的情况下移动电力。

在今天(15年2023月<>日)发表在《自然》杂志上的一项研究中，由俄亥俄州立大学物理学家领导的团队报告了他们对量子几何学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的发现。

石墨烯是单层碳原子，铅笔中的铅。

2018年，麻省理工学院的科学家发现，在适当的条件下，如果将一块石墨烯放在另一块石墨烯的顶部，并将这些层扭曲到特定的角度(1.08度)，石墨烯可以成为超导体，从而产生扭曲的双层石墨烯。

“从那以后，科学家们一直在研究这种扭曲的双层石墨烯，并试图弄清楚这种'魔角'是如何工作的，”俄亥俄州立大学物理学教授，自然论文的合著者Marc Bockrath说。

“传统的超导理论在这种情况下不起作用，”Bockrath说。“我们做了一系列实验，以了解为什么这种材料是超导体的起源。

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具有一种称为“平带”的电子结构，其中电子移动非常缓慢 - 实际上，如果角度正好处于魔术角度，则速度接近于零。

在传统的超导理论下，缓慢移动的电子应该不能导电，该研究的共同作者Jeanie Lau说，她也是俄亥俄州立大学的物理学教授。

该论文的第一作者、刘研究小组的学生田海东(Haidong Tian)非常精确地获得了一种如此接近魔角的装置，以至于电子几乎被通常的凝聚态物理标准所阻止。然而，样品显示出超导性。

“这是一个悖论：移动如此缓慢的电子怎么能导电，更不用说超导了?这是非常了不起的，“刘说。

在他们的实验中，研究小组展示了电子的缓慢速度，并给出了比以前更精确的电子运动测量结果。

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，我们必须使用量子几何学。

与所有量子一样，量子几何是复杂且不直观的。但这项研究的结果与这样一个事实有关，即电子不仅是一种粒子，而且是一种波，因此具有波函数。

“平带中量子波函数的几何形状，以及电子之间的相互作用，导致电流流动而不会在双层石墨烯中耗散，”共同作者，俄亥俄州立大学物理学教授Mohit Randeria说。

“我们发现，传统的方程可以解释我们发现的10%的超导信号。我们的实验测量表明，量子几何学是使其成为超导体的90%，“刘说。

这种材料的超导效应只能在极低温度下的实验中找到。Bockrath说，最终目标是能够理解导致高温超导的因素，这将在实际应用中可能有用，例如电力传输和通信。

“这将对社会产生巨大影响，”他说。“这还有很长的路要走，但这项研究肯定会让我们了解它是如何发生的。

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