普林斯顿大学
魔角石墨烯是一种令人难以置信的多功能材料，通过改变其温度、磁场和电子密度，可以很容易地在不同的量子相中进行调整
在这里，研究人员发现了它的非常规超导相(黄色)的基本特征，它以零电阻和零能量损失导电，以及它以前未知的伪间隙状态(蓝色)，这似乎是超导性的必要前兆
学分:普林斯顿大学亚兹达尼实验室 2018年在两层单原子厚度的石墨烯中发现了超导性，这两层石墨烯以1
1度(被称为“魔法”——角度扭曲的双层石墨烯)让科学界大吃一惊
自从这一发现以来，物理学家们一直在问，是否可以用现有的理论来理解神奇石墨烯的超导性，或者是否需要全新的方法——比如那些被引导去理解高温下超导的神秘陶瓷化合物的方法
现在，正如《自然》杂志报道的那样，普林斯顿大学的研究人员通过展示神奇石墨烯的超导性和高温超导体的超导性之间惊人的相似性，解决了这场争论
神奇的石墨烯可能是解开超导新机制的钥匙，包括高温超导
普林斯顿大学1909级物理学教授兼复杂材料中心主任阿里·亚兹达尼领导了这项研究
他和他的团队多年来研究了许多不同类型的超导体，最近将注意力转向了神奇的双层石墨烯
“有些人认为神奇的双层石墨烯实际上是一种伪装在特殊材料中的普通超导体，”亚兹达尼说，“但当我们用显微镜检查它时，它具有高温铜氧化物超导体的许多特征。”
这是一个似曾相识的时刻
" 超导是自然界最有趣的现象之一
这是一种电子自由流动而没有任何阻力的状态
电子是携带负电荷的亚原子粒子；它们对我们的生活方式至关重要，因为它们为我们的日常电子设备供电
在正常情况下，电子行为不稳定，相互跳跃和碰撞，最终效率低下，浪费能量
但是在超导性下，电子突然配对，开始像波一样同步流动
在这种状态下，电子不仅不会失去能量，而且还表现出许多新的量子特性
这些特性已经允许了许多实际应用，包括磁流变仪和粒子加速器的磁体，以及用于制造量子计算机的量子比特
超导电性最初是在极低的温度下在铝和铌等元素中发现的
近年来，已经发现在超高压下接近室温，并且在刚刚高于陶瓷化合物中液氮沸点(77开尔文)的温度下也是如此
但并不是所有的超导体都是平等的
由铝等纯元素制成的超导体是研究人员所说的常规超导体
超导状态——电子配对在一起的状态——可以用巴丁-库珀-施里弗理论来解释
这是自20世纪50年代末以来一直存在的超导性的标准描述
但是从20世纪80年代末开始，人们发现了不符合BCS理论的新超导体
在这些“非常规”超导体中，最引人注目的是陶瓷铜氧化物(称为铜酸盐)，它在过去三十年里一直是一个谜
麻省理工学院的巴勃罗·贾里罗-赫雷罗和他的团队最初在神奇的双层石墨烯中发现了超导性，表明这种材料最初是作为绝缘体出现的，但是随着少量电荷载流子的加入，它变成了超导材料
从绝缘体而不是金属中出现超导性是许多非常规超导体的标志之一，包括最著名的铜酸盐
“他们怀疑超导可能是非常规的，就像铜酸盐一样，但不幸的是，他们没有任何超导状态的具体实验测量来支持这一结论，”博士后研究助理、该论文的主要合著者之一Myungchul Oh说
为了研究神奇双层石墨烯的超导特性，Oh和他的同事使用扫描隧道显微镜(STM)来观察极小而复杂的电子世界
这种装置依赖于一种叫做“量子隧穿”的新现象，即电子在显微镜尖锐的金属尖端和样品之间形成漏斗
显微镜用这种隧道电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界
“STM是做这类实验的完美工具，”凯文·努科尔斯说，他是物理学研究生，也是该论文的主要合著者之一
“STM可以进行许多不同的测量
它可以访问其他[实验技术]通常无法访问的物理变量
" 当研究小组分析这些数据时，他们注意到了两个突出的主要特征，或者说“特征”，暗示他们神奇的双层石墨烯样品表现出非常规的超导性
第一个特征是超导的成对电子具有有限的角动量，这种行为类似于20年前在高温铜酸盐中发现的行为
当在常规超导体中形成对时，它们没有净角动量，这类似于电子在氢的s轨道中与氢原子结合
扫描隧道显微镜通过在样品中穿入和穿出电子来工作
在超导体中，所有的电子都是成对的，只有当超导体的电子对分裂时，样品和STM尖端之间的电流才有可能
“分裂成一对需要能量，这种电流的能量依赖性取决于这对的性质
在神奇的石墨烯中，我们发现了有限动量配对所期望的能量依赖性，”Yazdani说
“这一发现强烈限制了神奇石墨烯中配对的微观机制
" 普林斯顿团队还发现了当超导态通过升高温度或施加磁场而被淬灭时，神奇的双层石墨烯是如何表现的
在传统的超导体中，当超导性被破坏时，材料的行为与正常金属的行为相同——电子不带电
然而，在非常规超导体中，即使不是超导的，电子似乎也保持一定的相关性，这种情况在大致存在从样品中移除电子的阈值能量时表现出来
物理学家将这种阈值能量称为“伪间隙”，这种现象在许多非常规超导体的非超导状态下都存在
它的起源二十多年来一直是个谜
努科尔说:“一种可能性是，即使样品不是超导的，电子仍然在某种程度上配对在一起。”
“这样的伪间隙状态就像一个失败的超导体
" 《自然》杂志论文中提到的另一种可能性是，在超导发生之前，某种其他形式的集体电子态必须首先形成，而这种集体电子态是造成赝隙的原因
Yazdani说:“不管怎样，peusdogap的实验特征与铜酸盐以及有限动量配对的相似性不可能都是巧合。”
“这些问题看起来非常相关
" 吴说，未来的研究将包括试图理解是什么导致电子在非常规超导中配对——这一现象一直困扰着物理学家
BCS理论依赖于电子之间的弱相互作用，它们的配对之所以成为可能，是因为它们与潜在的离子振动相互作用
然而，非常规超导体中的电子配对通常比简单金属中的电子配对强得多，但其原因——将它们粘合在一起的“粘合剂”——目前尚不清楚
吴说:“我希望我们的研究将有助于物理学界更好地理解非常规超导的机制。”
“我们进一步希望，我们的研究将激励实验物理学家共同努力，揭开这一现象的本质
" 这项名为“扭曲双层石墨烯中非常规超导性的证据”的研究发表于10月10日
20日，2021年发表在《自然》杂志上
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