將單層碳以微小的角度放在另一層碳上，會(huì)出現(xiàn)顯著的特性，其中包括極為珍貴的無(wú)電阻電流，即超導(dǎo)性。

現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)的一組研究人員已經(jīng)在一種稱(chēng)為魔角扭曲雙層石墨烯的材料中尋找了這種異常行為的根源，并檢測(cè)到一系列能量躍遷的特征，這些特征可以幫助解釋這種材料如何產(chǎn)生超導(dǎo)性。該論文于6月11日在線發(fā)表在《自然》雜志上。

“這項(xiàng)研究表明，魔角石墨烯中的電子甚至在材料變得超導(dǎo)之前就處于高度相關(guān)的狀態(tài)，”研究小組的負(fù)責(zé)人，1909年的物理學(xué)教授阿里·亞茲達(dá)尼說(shuō)。“在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)我們添加或刪除電子時(shí)，能量的突然轉(zhuǎn)變直接測(cè)量了電子之間相互作用的強(qiáng)度。”

這是很重要的，因?yàn)檫@些能量躍遷提供了進(jìn)入電子的集體行為(例如超導(dǎo)性)的窗口，這些行為出現(xiàn)在魔角扭曲的雙層石墨烯中，該石墨烯是由兩層石墨烯組成的材料，其中頂層旋轉(zhuǎn)了微小角度相對(duì)于其他。

在日常金屬中，電子可以在材料中自由移動(dòng)，但是電子之間的碰撞以及原子的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電阻，并導(dǎo)致一些電能作為熱量損失，這就是電子設(shè)備在使用過(guò)程中變熱的原因。

在超導(dǎo)材料中，電子相互配合。普林斯頓理論科學(xué)中心的博士后研究人員彪L說(shuō)：“電子彼此之間是在跳舞”，他是這項(xiàng)研究的第一作者之一，他將于今年秋天成為物理學(xué)的助理教授。“他們必須合作才能進(jìn)入如此出色的狀態(tài)。”

從某種程度上講，兩年前由Pablo Jarillo-Herrero及其團(tuán)隊(duì)在麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)現(xiàn)的魔角石墨烯是迄今發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的超導(dǎo)體之一。即使在很少有自由移動(dòng)的電子時(shí)會(huì)發(fā)生超導(dǎo)，該系統(tǒng)中的超導(dǎo)性也相對(duì)較強(qiáng)。

研究人員著手探索魔角石墨烯獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)如何促進(jìn)集體行為。電子不僅具有負(fù)電荷，還具有其他兩個(gè)特征：角動(dòng)量或“自旋”，以及晶體結(jié)構(gòu)中可能的運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為“谷”態(tài)。自旋和谷的組合構(gòu)成了電子的各種“風(fēng)味”。

研究小組特別想知道這些味道如何影響集體行為，因此他們?cè)诼愿哂陔娮訌?qiáng)烈相互作用的溫度下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究人員將其比作行為的母相。

普林斯頓復(fù)雜材料中心的博士后黃永昌說(shuō)：“我們測(cè)量了材料在高溫下的電子之間的力，希望是希望了解這種力將有助于我們理解它在低溫下的超導(dǎo)體。”和共同第一作者。

他們使用了一種稱(chēng)為掃描隧道顯微鏡的工具，該工具中的導(dǎo)電金屬尖端可以從魔角石墨烯中添加或去除電子，并檢測(cè)該電子的最終能量狀態(tài)。

由于相互作用強(qiáng)烈的電子會(huì)阻止新電子的添加，因此添加額外的電子會(huì)花費(fèi)一些能量。研究人員可以測(cè)量這種能量，并據(jù)此確定相互作用力的強(qiáng)度。

也是第一作者之一的物理學(xué)系的研究生凱文·納克爾斯(Kevin Nuckolls)說(shuō)：“我實(shí)際上是在放一個(gè)電子，并看到將這種電子推入?yún)f(xié)作槽需要多少能量。”

研究小組發(fā)現(xiàn)，每個(gè)電子的添加導(dǎo)致添加另一個(gè)電子所需的能量躍升，如果電子能夠進(jìn)入晶體然后在原子之間自由移動(dòng)，情況就不會(huì)如此。能量躍遷的級(jí)聯(lián)是由于每種電子風(fēng)味的能量躍遷而引起的，因?yàn)殡娮有枰扇”M可能低的能量狀態(tài)，同時(shí)又不具有與晶體中相同位置的其他電子相同的能量和風(fēng)味。

該領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是電子之間相互作用的強(qiáng)度如何與不存在這種相互作用時(shí)電子所具有的能級(jí)進(jìn)行比較。在大多數(shù)普通的低溫超導(dǎo)體中，這是一個(gè)很小的校正，但是在稀有的高溫超導(dǎo)體中，據(jù)信電子之間的相互作用會(huì)極大地改變電子的能級(jí)。在電子之間相互作用如此劇烈的影響下，對(duì)超導(dǎo)性的了解還很少。

研究人員檢測(cè)到的突然位移的定量測(cè)量結(jié)果證實(shí)了幻角石墨烯屬于電子之間相互作用強(qiáng)烈的超導(dǎo)體類(lèi)別。

石墨烯是碳原子的單原子薄層，由于碳的化學(xué)性質(zhì)，石墨烯將它們自身排列在平坦的蜂窩狀晶格中。研究人員通過(guò)獲取一薄層石墨(與鉛筆中所用的純碳相同)并使用膠帶除去頂層來(lái)獲得石墨烯。

然后，他們堆疊兩個(gè)原子薄層，并將頂層精確旋轉(zhuǎn)1.1度(即魔角)。這樣做會(huì)使材料變得超導(dǎo)，或獲得異常的絕緣或磁性。

Nuckolls說(shuō)：“如果處于1.2度，那就不好了。這只是一種平淡的金屬。沒(méi)有什么有趣的事情發(fā)生。但是，如果處于1.1度，您會(huì)看到所有這些有趣的行為。”

這種未對(duì)準(zhǔn)會(huì)產(chǎn)生一種類(lèi)似于莫爾紋的布置，類(lèi)似于法國(guó)織物。

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究人員在普林斯頓大學(xué)物理大樓Jadwin Hall的地下室中建立了掃描隧道顯微鏡。顯微鏡如此之高，占據(jù)了兩層樓，顯微鏡坐在一塊花崗巖板上，該花崗巖板漂浮在空氣彈簧上。“我們需要非常精確地隔離設(shè)備，因?yàn)樗鼘?duì)振動(dòng)非常敏感，”博士后研究助理，第一作者，共同作者M(jìn)yungchul Oh說(shuō)。

黃狄龍(Dillon Wong)，凱文·納克爾斯(Kevin Nuckolls)，吳明哲(Myungchul Oh)和標(biāo)蓮(Biao Lian)對(duì)這項(xiàng)工作做出了同樣的貢獻(xiàn)。

獲得博士學(xué)位的謝永龍先生做出了其他貢獻(xiàn)。2019年至今，現(xiàn)在是哈佛大學(xué)的博士后研究員;尚俊俊(Sangjun Jeon)，現(xiàn)在是首爾中英大學(xué)的助理教授;日本國(guó)立材料科學(xué)研究所(NIMS)的渡邊謙二(Kenji Watanabe)和谷口隆(Takashi Taniguchi);普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授B. Andrei Bernevig。

以色列魏茲曼科學(xué)研究所的Shahal Ilani領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在6月11日同時(shí)發(fā)表于《自然》上的一篇論文中注意到了類(lèi)似的電子相變級(jí)聯(lián)，該論文由麻省理工學(xué)院的Jarillo-Herrero及其同事，Takashi Taniguchi和Kenana Watanabe的同事組成。 NIMS Japan和柏林自由大學(xué)的研究人員。

Yazdani說(shuō)：“ Weizmann團(tuán)隊(duì)觀察到的過(guò)渡與我們使用完全不同的技術(shù)所做的相同。” “很高興看到他們的數(shù)據(jù)與我們的測(cè)量和我們的解釋都兼容。”

黃狄龍，凱文·P·納科爾斯，吳明哲，彪煉，謝永龍，桑相俊，渡邊健二，高谷谷口，B。安德烈·伯尼維格和Ali Yazdani于6月11日發(fā)表在《自然》雜志上。