科学探索|MIT物理学家发现一系列“神奇”的超导石墨烯结构 MIT物理学家发现一系列“神奇

石墨烯是一种二维碳基材料，由一个原子厚的碳层组成，可以通过从铅笔芯中发现的相同石墨中剥离而产生。这种超薄材料完全由碳原子组成，以简单的六边形图案排列。自从2004年首次分离出石墨烯以来，科学家已经发现石墨烯在其单层形式中体现了许多非凡的特性。

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2018年，麻省理工学院（MIT）的科学家发现，如果两个石墨烯层以一个非常具体的 “神奇”角度堆叠，扭曲的双层结构可以表现出强大的超导性。在这种被广泛寻求的材料状态下，电流可以零能量损失地流过。最近，同一组研究人员发现在扭曲的三层石墨烯中存在类似的超导状态--一种由三个石墨烯层以一个精确的、新的“魔角”堆叠而成的结构。
现在，该研究小组报告说，四层和五层石墨烯可以以新的“魔角”扭曲和堆叠，在低温下激发出强大的超导性。这一最新发现于2022年7月7日发表在《自然-材料》杂志上，将石墨烯的各种扭曲和堆叠配置确立为第一个已知的多层魔角超导体的 “家族” 。该团队还确定了石墨烯家族成员之间的相似性和差异。
这项新发现可以作为设计实用的室温超导体的蓝图。如果家族成员之间的特性可以在其他天然导电材料中得到复制，它们就可以被利用，例如，在没有耗散损失的情况下输送电力，或者建造没有摩擦的磁悬浮列车。
“魔角石墨烯系统现在是一个合法的‘家族’，超越了几个系统，”主要作者、麻省理工学院物理系的研究生Jeong Min（Jane）Park说。“拥有这个家族特别有意义，因为它提供了一种设计稳健超导体的方法。”
Park的麻省理工学院合著者包括曹原、夏立乔、孙树文和Cecil和Ida Green物理学教授Pablo Jarillo-Herrero，以及日本筑波国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi 。
Jarillo-Herrero小组是第一个发现魔角石墨烯的人，其形式是两个石墨烯片的双层结构，一个放在另一个上面，以1.1度的精确角度稍微偏移。这种扭曲的配置，即所谓的摩尔超晶格，在超低温度下将这种材料转化为一种强大而持久的超导体。
研究人员还发现，这种材料表现出一种被称为"平带"的电子结构，在这种结构中，材料的电子具有相同的能量，而不考虑其动量。在这种平带状态下，并且在超低温下，通常狂热的电子集体放慢速度，足以在所谓的库珀对中配对--这是超导性的基本成分，可以无阻力地流过材料。
虽然研究人员观察到扭曲的双层石墨烯同时表现出超导性和平带结构，但并不清楚前者是否来自后者。
Park说：“没有证据表明平带结构导致了超导性。从那时起，其他小组已经从其他材料中产生了其他扭曲的结构，这些材料有一些平坦的带状结构，但它们并没有真正具有强大的超导性。所以我们想知道。我们能不能生产出另一种平带超导设备？”

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在他们考虑这个问题时，哈佛大学的一个小组得出的计算结果从数学上证实，三个石墨烯层，以1.6度的角度扭曲，也会表现出平带，并表明它们可能会超导。他们继续表明，如果以正确的方式堆叠和扭曲，在他们预测的角度上，表现出超导性的石墨烯层的数量应该没有限制。最后，他们证明了他们可以在数学上将每一个多层结构与一个共同的平带结构联系起来--有力地证明了平带可能会导致强大的超导性。