“魔角”石墨烯超導性成因揭示

據最新發表在《自然》雜志上的一項研究，美國俄亥俄州立大學領銜團隊發現的新證據顯示，當石墨烯偏轉到某個精確角度時，可成為超導體，傳輸電能而不損失能量。量子幾何在這種偏轉石墨烯成為超導體方面發揮了關鍵作用。

2018年，麻省理工學院科學家發現，如果在合適條件下，將一片石墨烯放在另一片石墨烯上，并將兩層石墨烯偏轉一個特定的角度（1.08°），就會產生神奇的超導效應。

在傳統金屬中，高速電子負責導電性。但偏轉的雙層石墨烯具有一種稱為平帶的電子結構，在這種結構中，電子移動非常緩慢，如果偏轉角度恰好是“魔角”，則速度接近于零。研究人員表示，在傳統的超導理論下，移動如此之慢的電子應該不能導電。

此次，研究人員非常精確地獲得了一個非常接近魔角的裝置，電子幾乎被通常的凝聚態物理標準所阻止。盡管如此，樣品仍然表現出超導性。

在實驗中，研究團隊證明了電子具有緩慢的速度，并給出了比以前更精確的電子運動測量結果。

他們還發現了首個線索，可解釋這種魔角石墨烯為何如此特殊。就像所有的量子一樣，量子幾何是復雜的，不是直觀的。研究的結果與這樣一個事實有關：電子不僅是粒子，而且是波，因此具有波函數。

研究人員表示，平帶中量子波函數的幾何形狀，加上電子之間的相互作用，導致了雙層石墨烯中電子的流動而沒有耗散。常規方程僅能解釋其發現的一成超導信號。實驗測量表明，具有偏轉角度的雙層石墨烯成為超導體的九成原因在于量子幾何。這種材料的超導效應只有在極低溫度下的實驗中才能發現。

研究團隊最終目標是能夠理解導致高溫超導的因素，這將在電力傳輸和通信等現實世界具有潛在應用。