根據(jù)一項(xiàng)新研究，所謂的“ 魔角扭曲三層石墨烯”提供了一種能力，可以通過簡單的翻轉(zhuǎn)“開關(guān)”來關(guān)閉和開啟超導(dǎo)性。這使得加州理工學(xué)院的工程師們能夠觀察到一種不尋常的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能為一般的超導(dǎo)性帶來新的啟示。這項(xiàng)研究近日發(fā)表在《自然》雜志上。它由應(yīng)用物理學(xué)和材料科學(xué)助理教授Stevan Nadj-Perge領(lǐng)導(dǎo)。

2018年首次發(fā)現(xiàn)的魔角扭曲石墨烯，是由兩片或三片石墨烯相互疊加而成，每片石墨烯與下面的石墨烯精確扭曲1.05度。由此產(chǎn)生的雙層或三層具有不尋常的電子特性：例如，它可以被制成絕緣體或超導(dǎo)體，這取決于加入多少電子。

超導(dǎo)體是表現(xiàn)出一種特殊的電子狀態(tài)的材料，在這種狀態(tài)下，電子可以無阻力地自由流過材料，這意味著電力流過它們時(shí)不會(huì)失去任何能量而發(fā)熱。這種超高效的電力傳輸在計(jì)算、電子和其他領(lǐng)域有無窮的潛在應(yīng)用。

然而，超導(dǎo)的問題是，在大多數(shù)材料中，它是在極低的溫度下發(fā)生的。事實(shí)上，這些溫度閾值通常只比絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度）高幾度。在這樣的溫度下，電子形成一對(duì)，與單個(gè)電子相比，其行為方式根本不同，并凝結(jié)成一種量子力學(xué)狀態(tài)，使電子對(duì)可以流動(dòng)而不被散射。

盡管超導(dǎo)性在一個(gè)多世紀(jì)前被首次發(fā)現(xiàn)，但科學(xué)家們?nèi)匀粵]有完全理解某些材料的電子對(duì)形成背后的精確機(jī)制。在傳統(tǒng)的超導(dǎo)體中（如金屬鋁），人們很清楚，導(dǎo)致電子對(duì)形成的電子之間的吸引力是由于電子與材料晶格的相互作用。這些材料的行為是用Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理論描述的，該理論是以John Bardeen、Leon Cooper和John Robert Schrieffer命名的，他們因該理論的發(fā)展而分享了1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在研究石墨烯的魔角扭曲三層時(shí)，Nadj-Perge和他的同事發(fā)現(xiàn)，這種材料的超導(dǎo)性表現(xiàn)出幾個(gè)非常不尋常的特性，無法用BSC理論來描述，這使得它很可能也是一個(gè)非常規(guī)的超導(dǎo)體。

他們測(cè)量了所謂的超導(dǎo)間隙的演變，當(dāng)電子從三層材料中被移除時(shí)，翻轉(zhuǎn)“開關(guān)”以打開或關(guān)閉一個(gè)電場(chǎng)。超導(dǎo)間隙是一種描述向超導(dǎo)體中添加或移除單個(gè)電子有多困難的屬性。因?yàn)槌瑢?dǎo)體中的電子想要成對(duì)，所以需要一定量的能量來打破這些對(duì)。然而，對(duì)于相對(duì)于晶格的不同方向移動(dòng)的電子對(duì)來說，能量的大小可能是不同的。因此，“間隙”有一個(gè)特定的形狀，由特定能量量的配對(duì)被打破的可能性決定。

《自然》雜志論文的通訊作者Nadj-Perge說：“雖然超導(dǎo)體已經(jīng)存在了很長時(shí)間，但扭曲的石墨烯雙層和三層的一個(gè)明顯的新特征是，這些材料的超導(dǎo)性可以簡單地通過在附近的電極上施加電壓來開啟。電場(chǎng)有效地增加或去除額外的電子。它的工作方式與傳統(tǒng)晶體管中控制電流的方式非常相似，這使我們能夠以在其他材料中無法做到的方式探索超導(dǎo)性。”

科學(xué)家們確定，在扭曲的三層材料中，存在著兩種具有不同形狀的超導(dǎo)間隙曲線的超導(dǎo)制度。雖然其中一個(gè)制度也許可以用某種程度上類似于BCS的理論來解釋，但兩個(gè)制度的存在表明，在超導(dǎo)階段內(nèi)可能會(huì)發(fā)生一個(gè)額外的轉(zhuǎn)變。這一觀察，以及在不同溫度和磁場(chǎng)下進(jìn)行的測(cè)量，表明了三層材料中超導(dǎo)性的非常規(guī)性質(zhì)。

Nadj-Perge小組的新見解為未來扭曲的石墨烯多層中的超導(dǎo)理論提供了基本線索。Nadj-Perge指出，似乎更多的層使超導(dǎo)性更加強(qiáng)大，同時(shí)保持高度可調(diào)控性，這一特性為使用扭曲的三層石墨烯的超導(dǎo)設(shè)備開辟了各種可能性，這些設(shè)備有朝一日可能被用于量子科學(xué)，也許還有量子信息處理。

“除了對(duì)我們理解超導(dǎo)性的根本意義外，增加一個(gè)額外的石墨烯層使研究超導(dǎo)特性變得更容易，這一點(diǎn)很了不起。歸根結(jié)底，這才是我們的發(fā)現(xiàn)。”Nadj-Perge說。

審核編輯 ：李倩