2018年3月5日,物理学家在两篇发表在《自然》期刊的论文中指出,当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时,就能在零电阻下导电。更确切地说,物理学家将两层只有原子厚的石墨烯以特别的角度堆叠在一起,当碳原子间的排列呈1.1度(这个角度就是所谓的“魔角”)的角度偏移时,就会使材料变为超导体。尽管该系统仍然需要被冷却至绝对零度以上1.7度,但结果表明了它或许可以像已知的高温超导体那样导电。
一旦该结果被确认,此次的发现对于理解高温超导电性至关重要。两篇论文的第一作者均为在麻省理工就读的研究生Yuan Cao(曹原)。超导体大致可分为两种类型:可被主流超导理论解释的常规超导体,以及无法用主流理论解释的非常规超导体。最新的研究结果显示了石墨烯的超导行为是非常规的,并且表现出一些与另一种被称为铜氧化物的非常规超导体相似的属性。
与铜氧化物相比,堆叠的石墨烯系统相对简单,并且物理学家对它有着更好的理解。麻省理工的物理学家Pablo Jarillo-Herrero和他的团队在实验进行之初并不是为了研究超导电性。他们想要探索的是被称为魔角的方向性会如何影响石墨烯。在双层薄片的实验设置中,他们立即就看见了意想不到的行为。
首先,对石墨烯的导电性和其带电粒子密度的测量中发现,这种构造已成为一种莫特绝缘体,这是一种拥有所有导电发生所必需成分的材料,但其粒子间的相互作用却会阻止电子的自由移动使得这一切无法发生。接下来,只需对其稍微施以微弱的电场,以在系统中增加一点额外的电荷载子,它就会成为超导体。
绝缘态的存在与超导电性如此接近是非常规超导体的标志。当研究人员绘制相图(纵轴为材料的电子密度,横轴为温度)时,他们看到了与铜氧化物非常相似的图案。这进一步证明了该材料或许拥有超导电性机制。尽管石墨烯要在超低温下才会表现出超导电性,但它仅需电子密度是常规超导体的万分之一,就能在相同温度下获得超导能力。
关于在非常规超导体中电子会如何相互作用,物理学家各持己见。
Robinson说:“高温超导体的其中一个瓶颈是,到现在为止,我们都不知道究竟是什么将电子粘合成对的。”Bascones表示,基于石墨烯系统要比铜氧化物更容易研究,因此它们将更有益于超导电性的探索。物理学家Kamran Behnia就表示,虽然他承认麻省理工团队的发现表明了石墨烯是超导体,并且很可能是不寻常的超导体,但他并不认为他们可以笃定地宣称自己看到了莫特绝缘态。
物理学家现在还无法肯定的说——这两种材料中的超导机制是一样的。诺奖得主Robert Laughlin表示,现在还尚不清楚在铜氧化物中所看到的所有行为是否都可以发生在石墨烯中。但我们却有理由在这些新的实验所呈现出的足够多的超导行为中找到庆祝的理由。为了更好地理解铜氧化物,物理学家已经在黑暗之中已摸索了30年。而最新的发现,或许刚刚为物理学家点亮了一束光。