作者凯文·史黛西，布朗大学 研究人员发现了一种操纵“魔角”石墨烯中电子之间排斥力的方法，这为这种材料如何在零电阻下导电提供了新的见解
学分:李实验室/布朗大学 2018年，物理学家发现，当两片纳米材料石墨烯叠放在一起时，会发生一些有趣的事情
当一层旋转到大约1°的“魔角”时
相对于另一个1度，系统变成了超导体，这意味着它以零电阻导电
更令人兴奋的是，有证据表明这是一种非常规的超导形式——这种超导可以在绝对零度以上的温度下发生，而大多数超导材料都在这种温度下工作
自从最初发现以来，研究人员一直致力于了解这种奇异的物质状态
现在，由布朗大学物理学家领导的一个研究小组发现了一种新的方法，可以精确探测魔角石墨烯中超导态的性质
这项技术使研究人员能够操纵系统中选举之间的排斥力——库仑相互作用
在发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究人员表明，当库仑相互作用减少时，魔角超导性变得更加鲁棒，库仑相互作用是理解这种超导体如何工作的重要信息
“这是第一次有人证明你可以直接操纵强关联电子系统中库仑相互作用的强度，”布朗大学物理学助理教授、该项研究的相应作者李嘉说
“超导性是由电子之间的相互作用驱动的，所以当我们能够操纵这种相互作用时，它告诉我们关于这个系统的一些非常重要的东西
在这种情况下，证明较弱的库仑相互作用增强了超导性为这个系统提供了一个重要的新的理论约束
" 2018年在魔角石墨烯中发现的潜在非常规超导性引起了物理学界的极大兴趣
石墨烯——一个原子厚的碳片——是一种相对简单的材料
李说，如果石墨烯确实支持非常规超导，那么它的简单性将使它成为探索这一现象的理想场所
“非常规超导体令人兴奋，因为它们的高转变温度和在量子计算机、无损电网和其他地方的潜在应用，”李说
“但是我们仍然没有关于它们如何工作的微观理论
这就是为什么当看起来非常规超导的东西出现在魔角石墨烯中时，每个人都非常兴奋
其简单的化学成分和扭转角度的可调性保证了更清晰的图像
" 20世纪50年代，一群物理学家首次解释了传统的超导现象，其中包括布朗教授和诺贝尔奖获得者利昂·库珀
他们表明超导体中的电子扭曲了材料的原子晶格，导致电子形成称为库珀对的量子双体，可以不受阻碍地穿过材料
在非常规超导体中，电子对的形成方式被认为与库珀机制略有不同，但科学家们还不知道这种机制是什么
在这项新的研究中，李和他的同事们提出了一种利用库仑相互作用来探测幻角石墨烯中电子配对的方法
库珀配对将电子锁定在彼此相距特定距离的地方
这种配对与库仑相互作用相竞争，库仑相互作用试图将电子推开
如果有可能削弱库仑相互作用，理论上库珀对应该变得更强耦合，使超导状态更稳定
这将为系统中是否存在库珀机制提供线索
为了操纵这项研究中的库仑相互作用，研究人员建造了一个设备，将一片魔角石墨烯与另一种称为伯纳双层的石墨烯片非常接近
因为这两层很薄，而且靠得很近，魔角样品中的电子被伯纳尔层的正电荷区域轻微吸引
层间的吸引力有效地削弱了魔角样品中电子之间的库仑相互作用，研究人员称这种现象为库仑屏蔽
伯纳层的一个属性使它在这项研究中特别有用
通过改变垂直于该层施加的电压，可以在导体和绝缘体之间切换伯纳尔层
库仑屏蔽效应仅在伯纳尔层处于导电阶段时发生
因此，通过在导电和绝缘之间切换，并观察超导性的相应变化，研究人员可以确保他们所看到的是由于库仑屏蔽
研究表明，当库仑相互作用减弱时，超导相变强
相分解的温度变得更高，并且对磁场更稳定，磁场会破坏超导体
“看到这种材料中的库仑效应有点令人惊讶，”李说
“我们希望在传统超导体中看到这种情况，然而有大量证据表明魔角石墨烯是一种非常规超导体
所以任何关于超导相的微观理论都必须考虑到这些信息
" 李说，这一结果应归功于布朗大学博士后研究员、该研究的主要作者刘晓雪，是他制造了使这些发现成为可能的装置
“以前从来没有人建造过这样的东西，”李说
“从石墨烯的扭曲角度到层与层之间的间距，一切都必须精确到纳米尺度
小雪真的做得很棒
我们还受益于奥斯卡·瓦菲克的理论指导，他是佛罗里达州立大学的理论物理学家
" 虽然这项研究提供了一条关于魔角石墨烯的重要新信息，但这项技术可以揭示更多信息
例如，第一项研究只观察了魔角超导性相空间的一部分
李说，超导相的行为可能在相空间的不同部分有所不同，进一步的研究将揭示这一点
“屏蔽库仑相互作用的能力给了我们一个新的实验旋钮来帮助理解这些量子现象，”李说
“这种方法可以用于任何二维材料，所以我认为这种方法将有助于设计新型材料
"
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