哈佛大学科学家三层石墨烯的突破为高温超导体打开了大门

扭曲的三层石墨烯的艺术家再现。

在2018年，物理学世界大放异彩，发现是当将超薄碳层（称为石墨烯）堆叠并扭曲成“魔角”时，新的双层结构转化为超导体，从而使电流无阻力地流动或能源浪费。现在，从字面上看，哈佛大学的科学家扩展了该超导系统，增加了第三层并旋转了第三层，为石墨烯基超导性的持续发展打开了大门。

这项工作在《科学》杂志的一篇新论文中进行了描述，有朝一日可以帮助开发出在更高甚至接近室温的温度下工作的超导体。这些超导体被认为是凝聚态物理的圣杯，因为它们将在包括电传输，运输和量子计算在内的许多领域带来巨大的技术革命。当今，包括双层石墨烯结构在内的大多数超导体仅在超冷温度下工作。

该论文的共同主要作者之一安德鲁·齐默尔曼（Andrew Zimmerman）说：“扭曲石墨烯中的超导性为物理学家提供了一个实验可控且理论上可访问的模型系统，他们可以利用该系统的特性来解码高温超导的秘密。”在哈佛物理学家菲利普·金（Philip Kim）的实验室工作。

石墨烯是一层单原子的碳原子层，比钢强200倍，但比纸极其柔软和轻巧。几乎一直以来，它都是热和电流的良导体，但是众所周知，它很难处理。自麻省理工学院物理学家Pablo Jarillo-Herrero和他的团队在2018年的实验中开创了“ twistronics”新兴领域以来，他们一直在进行实验，以解开扭曲的双层石墨烯之谜，他们通过将石墨烯超导体扭转至1.1度的魔角来生产石墨烯超导体。 。

哈佛大学的科学家报告说，成功堆叠了三层石墨烯，然后以魔角扭转了每层石墨烯，从而形成了三层结构，该结构不仅具有超导能力，而且在高温下具有比许多双叠层结构更高的强度和强度。石墨烯。新的和改进的系统还对外部施加的电场敏感，这使他们可以通过调节电场强度来调节超导水平。

研究的另一主要作者，博士Zeyu Hao说：“它使我们能够从一个新的角度观察超导体，并为我们提供了驱动超导性的机制的重要线索。”文理研究生院的学生也曾在Kim集团工作。

这些机制之一使理论家们感到非常兴奋。该三层系统显示出其超导性是由于电子之间的强相互作用而不是弱电子之间的相互作用。如果为真，那么这不仅有助于打开通往高温超导的道路，而且还可能在量子计算中应用。

“在大多数传统的超导体中，电子以很高的速度运动，偶尔会产生交叉路径并相互影响。在这种情况下，我们说它们的相互作用作用很弱。”研究的共同作者，哈佛物理学教授阿什文·维什瓦纳特（Ashvin Vishwanath）的博士后研究员埃斯兰·卡拉夫（Eslam Khalaf）说。“虽然弱相互作用的超导体易碎，当加热到几个开尔文温度时会失去超导性，而强耦合超导体则具有更大的弹性，但了解却很少。在一个简单且可调谐的系统（例如三层）中实现强耦合超导性，可以为最终发展对强耦合超导体的理论理解铺平道路，以帮助实现高温（甚至室温）超导体的目标。”

研究人员计划在进一步研究中继续探索这种不同寻常的超导性质。

金说：“我们了解得越多，我们越有机会提高超导转变温度。”

参考：“交替扭曲的魔角三层石墨烯中的电场可调谐超导性”，作者：Zeyu Hao，AM Zimmerman，Patrick Ledwith，Eslam Khalaf，Danial Haie Najafabadi，Watjibe Watanabe，Takashi Taniguchi，Ashvin Vishwanath和Philip Kim，2021年2月4日，Science.DOI ：
10.1126 / science.abg0399

资金：美国国防部国家科学基金会，西蒙斯关于超量子物质的合作