通過簡單的翻轉(zhuǎn)“開關(guān)”來關(guān)閉和開啟超導(dǎo)性

根據(jù)一項新研究，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不會失去任何能量而發(fā)熱。這種超高效的電力傳輸在計算、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。事實上，這些溫度閾值通常只比絕對零度（零下273.15攝氏度）高幾度。在這樣的溫度下，電子形成一對，與單個電子相比，其行為方式根本不同，并凝結(jié)成一種量子力學(xué)狀態(tài)，使電子對可以流動而不被散射。

盡管超導(dǎo)性在一個多世紀(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形成背后的精確機制。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。

在研究石墨烯的魔角扭曲三層時，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非常規(guī)的超導(dǎo)體。

他們測量了所謂的超導(dǎo)間隙的演變，當(dāng)電子從三層材料中被移除時，翻轉(zhuǎn)“開關(guān)”以打開或關(guān)閉一個電場。超導(dǎo)間隙是一種描述向超導(dǎo)體中添加或移除單個電子有多困難的屬性。因為超導(dǎo)體中的電子想要成對，所以需要一定量的能量來打破這些對。然而，對于相對于晶格的不同方向移動的電子對來說，能量的大小可能是不同的。因此，“間隙”有一個特定的形狀，由特定能量量的配對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)存在了很長時間，但扭曲的石墨烯雙層和三層的一個明顯的新特征是，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?！?/p>

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，但兩個制度的存在表明，在超導(dǎo)階段內(nèi)可能會發(fā)生一個額外的轉(zhuǎn)變。這一觀察，以及在不同溫度和磁場下進行的測量，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)性更加強大，同時保持高度可調(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。

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

審核編輯 ：李倩