石墨烯是一種二維碳基材料，由一個原子厚的碳層組成，可以通過從鉛筆芯中發(fā)現(xiàn)的相同石墨中剝離而產(chǎn)生。這種超薄材料完全由碳原子組成，以簡單的六邊形圖案排列。自從2004年首次分離出石墨烯以來，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)石墨烯在其單層形式中體現(xiàn)了許多非凡的特性。

　　2018年，麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果兩個石墨烯層以一個非常具體的 “神奇”角度堆疊，扭曲的雙層結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出強(qiáng)大的超導(dǎo)性。在這種被廣泛尋求的材料狀態(tài)下，電流可以零能量損失地流過。最近，同一組研究人員發(fā)現(xiàn)在扭曲的三層石墨烯中存在類似的超導(dǎo)狀態(tài)--一種由三個石墨烯層以一個精確的、新的“魔角”堆疊而成的結(jié)構(gòu)。

　　現(xiàn)在，該研究小組報告說，四層和五層石墨烯可以以新的“魔角”扭曲和堆疊，在低溫下激發(fā)出強(qiáng)大的超導(dǎo)性。這一最新發(fā)現(xiàn)于2022年7月7日發(fā)表在《自然-材料》雜志上，將石墨烯的各種扭曲和堆疊配置確立為第一個已知的多層魔角超導(dǎo)體的 “家族”。該團(tuán)隊還確定了石墨烯家族成員之間的相似性和差異。

　　這項新發(fā)現(xiàn)可以作為設(shè)計實用的室溫超導(dǎo)體的藍(lán)圖。如果家族成員之間的特性可以在其他天然導(dǎo)電材料中得到復(fù)制，它們就可以被利用，例如，在沒有耗散損失的情況下輸送電力，或者建造沒有摩擦的磁懸浮列車。

　　“魔角石墨烯系統(tǒng)現(xiàn)在是一個合法的‘家族’，超越了幾個系統(tǒng)，”主要作者、麻省理工學(xué)院物理系的研究生Jeong Min(Jane)Park說?！皳碛羞@個家族特別有意義，因為它提供了一種設(shè)計穩(wěn)健超導(dǎo)體的方法?！?/p>

　　Park的麻省理工學(xué)院合著者包括曹原、夏立喬、孫樹文和Cecil和Ida Green物理學(xué)教授Pablo Jarillo-Herrero，以及日本筑波國家材料科學(xué)研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

　　Jarillo-Herrero小組是第一個發(fā)現(xiàn)魔角石墨烯的人，其形式是兩個石墨烯片的雙層結(jié)構(gòu)，一個放在另一個上面，以1.1度的精確角度稍微偏移。這種扭曲的配置，即所謂的摩爾超晶格，在超低溫度下將這種材料轉(zhuǎn)化為一種強(qiáng)大而持久的超導(dǎo)體。

　　研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種材料表現(xiàn)出一種被稱為"平帶"的電子結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，材料的電子具有相同的能量，而不考慮其動量。在這種平帶狀態(tài)下，并且在超低溫下，通?？駸岬碾娮蛹w放慢速度，足以在所謂的庫珀對中配對--這是超導(dǎo)性的基本成分，可以無阻力地流過材料。

　　雖然研究人員觀察到扭曲的雙層石墨烯同時表現(xiàn)出超導(dǎo)性和平帶結(jié)構(gòu)，但并不清楚前者是否來自后者。

　　Park說：“沒有證據(jù)表明平帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了超導(dǎo)性。從那時起，其他小組已經(jīng)從其他材料中產(chǎn)生了其他扭曲的結(jié)構(gòu)，這些材料有一些平坦的帶狀結(jié)構(gòu)，但它們并沒有真正具有強(qiáng)大的超導(dǎo)性。所以我們想知道。我們能不能生產(chǎn)出另一種平帶超導(dǎo)設(shè)備?”

　　在他們考慮這個問題時，哈佛大學(xué)的一個小組得出的計算結(jié)果從數(shù)學(xué)上證實，三個石墨烯層，以1.6度的角度扭曲，也會表現(xiàn)出平帶，并表明它們可能會超導(dǎo)。他們繼續(xù)表明，如果以正確的方式堆疊和扭曲，在他們預(yù)測的角度上，表現(xiàn)出超導(dǎo)性的石墨烯層的數(shù)量應(yīng)該沒有限制。最后，他們證明了他們可以在數(shù)學(xué)上將每一個多層結(jié)構(gòu)與一個共同的平帶結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來--有力地證明了平帶可能會導(dǎo)致強(qiáng)大的超導(dǎo)性。

　　"他們研究出可能有這種整個石墨烯結(jié)構(gòu)的層次，到無限層，可能對應(yīng)于平帶結(jié)構(gòu)的類似數(shù)學(xué)表達(dá)，"Park說。

　　在這項工作之后不久，Jarillo-Herrero小組發(fā)現(xiàn)，確實在扭曲的三層石墨烯中出現(xiàn)了超導(dǎo)性和平帶--三層石墨烯片，像奶酪三明治一樣堆疊在一起，中間的奶酪層相對于夾在中間的外層移動了1.6度。但是三層結(jié)構(gòu)與它的雙層對應(yīng)物相比也顯示出微妙的差異。

　　"這讓我們問，就整個材料類別而言，這兩種結(jié)構(gòu)在哪里合適，它們是否來自同一個家族?"Park說。

　　一個非常規(guī)的家族

　　在目前的研究中，該團(tuán)隊希望提高石墨烯層的數(shù)量。他們制造了兩種新結(jié)構(gòu)，分別由四層和五層石墨烯制成。每個結(jié)構(gòu)都是交替堆疊的，類似于扭曲的三層石墨烯的移位奶酪三明治。

　　研究小組將這些結(jié)構(gòu)放在低于1開爾文(約-273攝氏度)的冰箱里，讓電流通過每個結(jié)構(gòu)，并測量各種條件下的輸出，類似于對其雙層和三層系統(tǒng)的測試。

　　總的來說，他們發(fā)現(xiàn)四層和五層扭曲的石墨烯也表現(xiàn)出強(qiáng)大的超導(dǎo)性和一個平帶結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)還與它們的三層對應(yīng)物有其他相似之處，例如它們在不同強(qiáng)度、角度和方向的磁場下的反應(yīng)。

　　這些實驗表明，扭曲的石墨烯結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是一個新的家族，或一類普通的超導(dǎo)材料。實驗還表明，這個家族中可能有一只“害群之馬”。原始的扭曲的雙層結(jié)構(gòu)，雖然共享關(guān)鍵屬性，但也顯示出與它的“兄弟姐妹們”的微妙差異。例如，該小組以前的實驗顯示，與多層結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)性在較低的磁場下被打破，并且隨著磁場的旋轉(zhuǎn)更加不均勻。

　　研究小組對每種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了模擬，為家庭成員之間的差異尋求解釋。他們得出的結(jié)論是，扭曲的雙層石墨烯的超導(dǎo)性在某些磁場條件下消失的事實，只是因為其所有的物理層在結(jié)構(gòu)中以"非鏡像"的形式存在。換句話說，該結(jié)構(gòu)中沒有兩層是相互鏡像對立的，而石墨烯的多層結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出某種鏡像對稱性。這些發(fā)現(xiàn)表明，驅(qū)動電子在強(qiáng)大的超導(dǎo)狀態(tài)下流動的機(jī)制在整個扭曲的石墨烯家族中是相同的。

　　“這相當(dāng)重要，”Park指出?！叭绻恢肋@一點，人們可能會認(rèn)為雙層石墨烯與多層結(jié)構(gòu)相比更加傳統(tǒng)。但我們表明，這整個家族可能是非常規(guī)的、穩(wěn)健的超導(dǎo)體?！?/p>