实验探索“魔力角”超导体的奥秘

普林斯顿大学的研究人员证实，电子之间的强相互作用在扭曲双层石墨烯的超导特性中扮演着重要角色。

 2018年春天，关于一种新材料中的超导性的惊人发现让整个科学界沸腾起来：研究人员将一层碳层堆叠在另一层碳层上方，并以特定角度（“魔力角”）扭转顶部碳层，电子就能够毫无阻力地流动了。这一发现对于提高电力传输效率和催生衍生新技术都有巨大意义。phys.org网站7月31日报道，美国普林斯顿大学的研究人员在《自然》杂志发布了确切证据，证实超导行为源于电子之间的强相互作用，从而对电子在超导性出现时遵循的规律有了更深入的了解。物理学教授、论文作者Ali Yazdani说：“超导是物理学中最热门的话题之一。这是一种非常简单的材料，坦白的说就是两个薄碳层，两者叠加时就出现了超导性。”

 超导性究竟是如何产生的？这个谜团让研究人员非常着迷。在这一领域甚至有了一个专有词汇“twistronics”。石墨烯超导性令人关注的部分原因在于，与现有超导体相比，石墨烯的研究难度较低，它的结构中只包含两层碳原子。专攻复杂材料理论的物理学教授B. Andrei Bernevig评论说：“石墨烯是过去几十年中研究人员研究多种物理问题的重要载体。”双层石墨烯的超导机制似乎与传统超导体截然不同。传统超导体目前只能被用于强力磁场等有限领域。而双层石墨烯与上世纪80年代发现的铜基高温超导体铜酸盐有相似之处。

 石墨烯为扁平的蜂窝状结构，看上去就像铁丝网。2018年3月，美国麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero团队发现了双层石墨烯之间存在的1.1度的“魔力角度”。虽然早些时候，物理学家们曾预测在魔力角存在时，会出现新的电子相互作用。但当麻省理工学院的科学家们展示其表现出的超导性时，学界还是震惊了。重叠的石墨烯层产生了摩尔纹（moiré），这是一种由两个几何规则的图案重叠时会产生的效果。摩尔纹曾在17~18世纪的皇室成员中颇为流行。

 摩尔纹使双层石墨烯具有了奇特的新特性。对于普通材料而言，绝缘体将电子困在能阱中，使它们保持固定，而金属则含有能使电子从一个原子“飞向”另一个原子的能态。在这两种情况下，电子占据了不同的能级，不会产生相互作用，也不会产生“集体行为”。然而，在扭曲的双层石墨烯中，摩尔晶格的物理结构会产生能量状态，阻止电子分离，迫使它们产生相互作用。Yazdani说：“这是在创造条件使电子无法分离。相反，它们必须处于相似的能级。而这是创造高度纠缠态的首要条件。”

 研究人员提出的问题是：这种纠缠态是否与其超导性有关？迄今为止发现的所有高温超导体（包括铜），都显示出因电子间的相互排斥而产生的高度纠缠态。电子间的强相互作用似乎是实现高温超导的关键所在。

为了解释这个问题，普林斯顿大学的研究人员使用了扫描隧道显微镜。这种显微镜非常灵敏，可以对材料表面的单个原子进行成像。研究人员扫描了“魔力角”石墨烯层样品，并通过施加电压来控制电子数量。通过此种方式，研究人员获取了扭曲双层石墨烯中电子行为的微观信息。通过将电子的数量调低，研究人员观察到的电子几乎都是“独立行动”的，与它们在简单金属中的行为一致。然而，当达到超导电子的临界浓度时，电子间突然显示出了强相互作用和纠缠现象。此时，电子能级也变得很宽。尽管如此，Bernevig仍然认为他们的工作只是揭开了冰山一角，还需要做更多的工作来详细了解纠缠的类型。他说：“对此，我们还有很多不了解的地方。我们甚至可能只是接触到了一点皮毛而已。”

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编译：雷鑫宇    

审稿：阿淼     

责编：唐林芳

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：

https://phys.org/news/2019-07-explore-mysteries-magic-angle-superconductors.html

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