哥伦比亚大学
两层石墨烯之间带正电荷的空穴与带负电荷的电子相互作用形成玻色子对的示意图
信用:科里
哥伦比亚大学院长 流经电力线和计算机的电子不可避免地会遇到阻力；当它们这样做时，它们会失去一些能量，这些能量会以热量的形式消散
这就是为什么笔记本电脑在使用太长时间后会变热，也是为什么为云供电的服务器场需要如此多的空调来防止机器过热
同样，任何携带能量的粒子在典型环境中流动时，往往会失去能量
有一些例外，这通常发生在非常低的温度下，当粒子形成称为量子凝聚体的对时
这导致了超导性，一些金属如铝的电阻消失，液化氦的超流性，然后可以流动而不消散
基于显示这些量子凝聚态的超导材料，已经开发了许多应用，从无耗散功率传输到量子计算
但是，已知的超导材料需要保持低温——这通常是不切实际的
为了提高无能量损失设备的温度，研究人员首先需要更好地理解是什么推动了量子凝聚的形成
理论上，超导性是电子配对的结果
然而，在大多数材料中，这种配对很弱——两个带负电的粒子通常不希望彼此配对——配对强度是固定的
在《科学》杂志的一篇新文章中，刘晓萌哥伦比亚大学的科里·迪恩(Cory Dean)和詹姆斯·霍恩(James Hone)、哈佛大学的菲利普·金(Philip Kim)和伯特·哈尔佩林(Bert Halperin)、李嘉大学的布朗(Brown)以及日本NIMS大学的渡边健二(Kenji Watanabe)和谷口高史描述了一种基于石墨烯的可调平台，该平台利用相反的电荷——电子和空穴——在强磁场下形成量子粒子对
这种配对的强度现在可以沿着一个连续体变化，这将使研究小组能够测试关于量子凝聚起源的理论预测，以及它们如何提高超导性的温度极限
设计可调平台 基础理论很简单
迪恩说:“如果你能让电子配对，它们就能超导。”
根据巴丁-库珀-施里弗理论，电子之间的吸引力——无论多弱——都会导致这些电子配对，形成一种新的粒子，称为“库珀对”
“这些粒子的行为就像被称为玻色子的粒子，在足够低的温度下，它们可以进入集体状态，并在不受无序阻碍的材料中移动——这是任何单个电子都无法单独实现的特性。”
但是有一个问题
“电子不想配对，”迪恩说
俗话说，相敬如宾
该团队没有试图在两个带负电的电子之间形成一个键，而是一直在探索异性如何吸引产生一个等价的“配对”玻色子
这个想法最初是由理论物理学家提出的，现在该团队正在石墨烯的原子薄片中实现，石墨烯是一种具有独特性能的材料，他们已经努力利用了几年
根据所施加的电压和磁场，石墨烯片可以由带负电荷的电子或带正电荷的空穴构成
当两个这样的薄片放在一起时，一个薄片上的电子会想与另一个薄片上带相反电荷的空穴配对，形成玻色子对
第二个例子是带正电荷的空穴与两片石墨烯之间的带负电荷的电子相互作用形成玻色子对
信用:科里
哥伦比亚大学院长 仍然需要一些距离
该论文的第一作者刘说:“人们最初试图在单一材料中将电子和空穴配对，是的，它们之间存在吸引力，但从某种意义上说，吸引力太强了。”
如果两者靠得太近，它们会结合并消失
利用哥伦比亚大学开发的技术来制造不同原子薄材料的叠层，研究小组在他们的平台石墨烯之间添加了绝缘氮化硼层
这在一个石墨烯片上的电子和另一个石墨烯片上的空穴之间产生了物理距离，这也影响了相互作用的强度:绝缘层越多，结合越弱；更少的层次，更强的层次
这项工作的另一位主要作者李说:“通过改变分离层的厚度，我们可以直接、可调地控制相互作用强度。”
电子和空穴不仅仅需要相互作用；它们形成的玻色子对也需要与其他对相互作用才能达到集体量子凝聚态
通过调整绝缘层的数量，该团队可以控制电子和空穴之间的结合强度，而改变外部磁场可以调整玻色子对之间的相互作用
跨过去提高温度 大多数超导材料只能在极冷的温度下存在，通常低于10开尔文(或-441华氏度)
然而，在某些被称为高温超导体的材料中，成对状态能在高达200K (-100华氏度)的温度下存活
尽管仍然很冷，高温超导体的存在表明量子凝聚可能在室温下发生
然而，尽管进行了几十年的研究，利用电子-电子对或电子-空穴对实现更高温度的量子凝聚体的进展一直很缓慢
一种理论认为高温超导体是由既不“弱”也不“强”的电子配对产生的，而是存在于这两个极端之间的交叉点
研究强玻色子配对——由玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)理论描述——在高温超导体中是一个挑战，因为电子自然相互排斥，并且控制它们的相互作用是困难的
利用他们的可调石墨烯平台，结合了电子和空穴而不是电子-电子对，该团队现在可以首次绘制电导率如何随着配对强度在BEC和BCS极端之间的变化而变化
在这里，实验是在液氦温度下进行的——零下450华氏度——并且是在一个10特斯拉的强磁铁下进行的(比典型的冰箱磁铁强100倍左右)；这两种情况都不适合用来制造真正的设备，这些设备可以在计算机内部的芯片上运行
但是，迪恩说，这项工作开辟了新的调查途径
他说:“由于这个平台的可调性，我们可以用以前无法获得的方式测试理论预测。”
用不同的材料，也有可能失去磁铁，这是让石墨烯通常不相互作用的电子移动所需要的
例如，半导体可以被操纵成充满电子和/或充满空穴
让这样的薄片形成稳定的电子空穴对将归结为技术细节，比如材料有多“干净”和无缺陷，以及你能否在它们之间进行适当的接触
哈佛大学的物理学家哈尔佩林说:“如果这种电子-空穴对凝聚体——也称为激子凝聚体——能够在高温和没有磁场的情况下保持稳定，这可能会带来实际应用。”
迪恩说:“我们用这个石墨烯平台建立的是，基础概念绝对是合理的。”
“这不再是幻想；这是现实
现在，从某种意义上来说，这变成了一个工程挑战
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