物理學家發現，如果將兩層石墨烯薄片以“魔角”扭曲，就可以無電阻地導電。這一發現可能成為數十年尋求室溫超導體的重大一步。
大多數超導體僅在接近絕對零度的溫度下工作。即使是“高溫”超導體也只是相對而言的：它們無電阻導電的最高溫度約為−140ºC。如果一種材料在室溫下表現出這種特性，就可以消除昂貴的冷卻需求，從而徹底改變能源傳輸、醫療掃描器和交通運輸。
物理學家現在報告說，當將兩層原子級厚度的石墨烯排列起來，使它們的碳原子圖案偏移1.1º的角度時，該材料就會變成超導體。儘管該系統仍然需要冷卻到絕對零度以上1.7度，但結果表明它可能像已知的高溫超導體一樣導電——這讓物理學家感到興奮。該發現發表在3月5日出版的兩篇1、2篇《自然》論文中。
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馬德里材料科學研究所的物理學家埃琳娜·巴斯孔斯說，如果得到證實，這一發現可能對理解高溫超導性“非常重要”。加利福尼亞州斯坦福大學的物理學家和諾貝爾獎獲得者羅伯特·勞克林說：“我們可以預期，未來幾個月將出現一系列的實驗活動，以填補這幅圖畫中缺失的部分。”
超導體大致分為兩種型別：常規超導體，其活性可以用超導性的主流理論解釋；以及非常規超導體，其活性無法解釋。最新的研究表明，石墨烯的超導行為是非常規的——並且與其他被稱為銅酸鹽的非常規超導體中的活性具有相似之處。已知這些複雜的銅氧化物在高達絕對零度以上133度的溫度下導電。儘管物理學家在過去三十年裡一直在專注於銅酸鹽，以尋找室溫超導體，但其潛在的機制一直困擾著他們。
與銅酸鹽相比，堆疊的石墨烯系統相對簡單，並且這種材料已經得到很好的理解。勞克林說：“令人震驚的含義是，銅酸鹽的超導性一直以來都很簡單。只是很難正確計算。”
魔術
石墨烯已經具有令人印象深刻的特性：它的薄片由排列成六邊形的單層碳原子組成，比鋼更堅固，並且導電性優於銅。它之前也顯示出超導性3，但它發生在與其他材料接觸時，並且其行為可以用傳統的超導性來解釋。
馬薩諸塞州劍橋市的麻省理工學院（MIT）的物理學家帕勃羅·賈裡洛-赫雷羅和他的團隊在進行實驗時，並沒有尋找超導性。相反，他們正在探索被稱為魔角的取向如何影響石墨烯。理論家們預測，以這個特定的角度偏移二維材料層之間的原子可能會誘導在薄片中快速移動的電子以有趣的方式相互作用——儘管他們並不確切知道是如何相互作用的。
該團隊立即在其雙層設定中看到了意想不到的行為。首先，對石墨烯電導率和其中攜帶電荷的粒子密度的測量表明，該結構已成為莫特絕緣體2——一種具有所有導電成分的材料，但其中粒子之間的相互作用會阻止它們流動。接下來，研究人員施加了一個小的電場，向系統中注入少量的額外載流子，它就變成了超導體1。賈裡洛-赫雷羅說，該發現在一項又一項的實驗中都得到了證實。“我們已經在不同的裝置中進行了所有這些操作，並與合作者一起進行了測量。我們對此非常有信心，”他說。
絕緣態如此接近超導態的存在，是非傳統超導體（如銅酸鹽）的標誌。當研究人員繪製出繪製材料電子密度與溫度關係的相圖時，他們看到的模式與銅酸鹽的模式非常相似。賈裡洛-赫雷羅說，這進一步證明了這些材料可能具有相同的超導機制。
最後，儘管石墨烯在非常低的溫度下表現出超導性，但它僅使用傳統超導體在相同溫度下獲得超導能力時的電子密度的萬分之一。在傳統的超導體中，該現象被認為是在振動允許電子形成對時產生的，這穩定了它們的路徑並使它們能夠無電阻地流動。但是，由於石墨烯中可用的電子很少，因此它們能夠以某種方式配對這一事實表明，該系統中起作用的相互作用應該比傳統超導體中發生的相互作用強得多。
電導率的困惑
物理學家對於電子如何以非傳統的超導體相互作用存在嚴重分歧。羅賓遜說：“高溫超導性的瓶頸之一是我們甚至現在都不明白是什麼真正將電子粘合成對。”
但是，與銅酸鹽相比，基於石墨烯的裝置更容易研究，這使它們成為探索超導性的有用平臺，巴斯孔斯說。例如，為了探索銅酸鹽中超導性的根源，物理學家通常需要將材料置於極端磁場中。並且，“調整”它們以探索其不同的行為意味著生長和研究大量的不同樣品；使用石墨烯，物理學家可以透過簡單地調整電場來獲得相同的結果。
巴黎高等工業物理和化學研究所的物理學家卡姆蘭·貝尼亞尚未確信麻省理工學院的團隊可以明確聲稱已經看到了莫特絕緣體狀態，儘管他說該發現確實表明石墨烯是一種超導體，並且可能是一種不尋常的超導體。
物理學家還不能確定這兩種材料中的超導機制是相同的。勞克林補充說，目前尚不清楚銅酸鹽中看到的所有行為是否都發生在石墨烯中。“但是，這些新實驗中已經出現了足夠的行為，足以引起謹慎的慶祝，”他說。
勞克林說，物理學家“在黑暗中摸索了30年”，試圖理解銅酸鹽。“我們中的許多人認為，一盞燈剛剛亮起。”
本文經許可轉載，並於2018年3月5日首次發表。