通过简单的翻转“开关”来关闭和开启超导性

根据一项新研究，所谓的“ 魔角扭曲三层石墨烯”提供了一种能力，可以通过简单的翻转“开关”来关闭和开启超导性。这使得加州理工学院的工程师们能够观察到一种不寻常的现象，这种现象可能为一般的超导性带来新的启示。这项研究近日发表在《自然》杂志上。它由应用物理学和材料科学助理教授Stevan Nadj-Perge领导。

2018年首次发现的魔角扭曲石墨烯，是由两片或三片石墨烯相互叠加而成，每片石墨烯与下面的石墨烯精确扭曲1.05度。由此产生的双层或三层具有不寻常的电子特性：例如，它可以被制成绝缘体或超导体，这取决于加入多少电子。

超导体是表现出一种特殊的电子状态的材料，在这种状态下，电子可以无阻力地自由流过材料，这意味着电力流过它们时不会失去任何能量而发热。这种超高效的电力传输在计算、电子和其他领域有无穷的潜在应用。

然而，超导的问题是，在大多数材料中，它是在极低的温度下发生的。事实上，这些温度阈值通常只比绝对零度（零下273.15摄氏度）高几度。在这样的温度下，电子形成一对，与单个电子相比，其行为方式根本不同，并凝结成一种量子力学状态，使电子对可以流动而不被散射。

尽管超导性在一个多世纪前被首次发现，但科学家们仍然没有完全理解某些材料的电子对形成背后的精确机制。在传统的超导体中（如金属铝），人们很清楚，导致电子对形成的电子之间的吸引力是由于电子与材料晶格的相互作用。这些材料的行为是用Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论描述的，该理论是以John Bardeen、Leon Cooper和John Robert Schrieffer命名的，他们因该理论的发展而分享了1972年的诺贝尔物理学奖。

在研究石墨烯的魔角扭曲三层时，Nadj-Perge和他的同事发现，这种材料的超导性表现出几个非常不寻常的特性，无法用BSC理论来描述，这使得它很可能也是一个非常规的超导体。

他们测量了所谓的超导间隙的演变，当电子从三层材料中被移除时，翻转“开关”以打开或关闭一个电场。超导间隙是一种描述向超导体中添加或移除单个电子有多困难的属性。因为超导体中的电子想要成对，所以需要一定量的能量来打破这些对。然而，对于相对于晶格的不同方向移动的电子对来说，能量的大小可能是不同的。因此，“间隙”有一个特定的形状，由特定能量量的配对被打破的可能性决定。

《自然》杂志论文的通讯作者Nadj-Perge说：“虽然超导体已经存在了很长时间，但扭曲的石墨烯双层和三层的一个明显的新特征是，这些材料的超导性可以简单地通过在附近的电极上施加电压来开启。电场有效地增加或去除额外的电子。它的工作方式与传统晶体管中控制电流的方式非常相似，这使我们能够以在其他材料中无法做到的方式探索超导性。”

科学家们确定，在扭曲的三层材料中，存在着两种具有不同形状的超导间隙曲线的超导制度。虽然其中一个制度也许可以用某种程度上类似于BCS的理论来解释，但两个制度的存在表明，在超导阶段内可能会发生一个额外的转变。这一观察，以及在不同温度和磁场下进行的测量，表明了三层材料中超导性的非常规性质。

Nadj-Perge小组的新见解为未来扭曲的石墨烯多层中的超导理论提供了基本线索。Nadj-Perge指出，似乎更多的层使超导性更加强大，同时保持高度可调控性，这一特性为使用扭曲的三层石墨烯的超导设备开辟了各种可能性，这些设备有朝一日可能被用于量子科学，也许还有量子信息处理。

“除了对我们理解超导性的根本意义外，增加一个额外的石墨烯层使研究超导特性变得更容易，这一点很了不起。归根结底，这才是我们的发现。”Nadj-Perge说。

审核编辑 ：李倩