从1.1°到1.56°：室温超导？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：二宗主，题图来自：《正义联盟》

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石墨烯是一种不可思议的材料，它只有一个原子的厚度，但强度却是钢的200倍，且柔韧性极强。一直以来，这种由碳原子晶格构成的材料以其优秀的导热和导电性能闻名遐迩。不仅如此，科学家还发现，当条件适当时，石墨烯还是一种优异的超导材料。

2018年，麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero、曹原等物理学家在研究双层石墨烯时，发现如果将其中一层石墨烯层相对于另一层扭转到1.1°，再将石墨烯冷却到接近绝对零度的温度，石墨烯的电阻就会突然降至为零，变成超导体。

这一发现让物理学界兴奋不已，因为这样的现象在单层石墨烯中是完全没有的，也没有理论对这样的情况进行过预测。为了弥补理论上的缺失，Jarillo-Herrero、曹原等开创了“扭转电子学”，他们试图通过实验，与理论学家一起揭开隐藏在神奇“魔角”背后的谜团。

由双层石墨烯的“魔角”带来的超导性，激发物理学家对扭转材料的极大兴趣。在今年的2月1日和3月12日，两篇分别发表在《自然》和《科学》杂志上的论文，描述了在双层石墨烯的基础上增加第三层石墨烯的研究。

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自魔角被发现以来，这种扭转是如何让电子完美穿越石墨烯层的问题一直在困扰着物理学家。其实在2018年发现魔角不久后，就有理论家开始探讨双层石墨烯的超导机制。他们提出，或许是一种特殊的几何特征，让电子能以一种全新的方式移动。

这种机制不同于任何已知的超导机制，在这种理论模型中，研究人员提出将石墨烯的六边形晶格视为两个三角形子晶格。当电子从一个原子移动到另一个原子时，它们通常会“切换”晶格，跳到另一个晶格的原子上。

电子在移动过程中所做的这种切换，将六边形的石墨烯晶格分割成了两个三角形晶格。在双层石墨烯中，受到这种约束的电子可被视为是在磁场的影响下一样移动。具体说来，一个子晶格上的电子能感应到一个正磁场，而另一个子晶格上的电子则感应到的是一个负磁场。

石墨烯晶格：石墨烯中的碳原子会形成扁平的六边形晶格。为了模拟电子的运动，研究人员提出可以将其分成两套三角形晶格。

利用这种理论，理论学家可以推导出双层石墨烯的魔角为1.1°。不仅如此，虽然这一理论原本是为双层石墨烯设计的，但在后续研究中，物理学家发现它在新结构上的应用效果也远远好于预期——它不仅能解释双层石墨烯的超导，还能用预测三层石墨烯也将具有超导性。利用这一模型，物理学家可以用简单的比例计算出当堆叠的石墨烯层数增加时的魔角数值。

然而，尽管如此，这一模型在很大程度上仍然只是一个理论，直到现在，物理学家对其进行了更进一步的实验测试。

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根据预测，在三层石墨烯中，1.5°将会是唤醒超导性能的魔角。在知道了这一点后，Jarillo-Herrero所领导的团队，以及哈佛大学的Philip Kim的研究团队，开始各自着手制备三层石墨烯，且两个实验室都得到了与理论预测一致的实验结果。

近日，《科学》杂志上刊登了Kim领导的团队所进行的研究，论文描述了他们通过让顶层和底层的石墨烯大致维持平行，让中间层的石墨烯相对于底层扭转约1.56°的角度后，发现了三层石墨烯的超导性。

与双层石墨烯相比，扭转三层石墨烯结构所引发的超导性更加牢靠，超导温度也更高。而且，研究人员还可以利用外部电场来控制石墨烯层之间的电子，从而调节三层石墨烯的超导水平。

利用这种前所未有的可调性，研究人员证实了三层石墨烯通过了所有超导性测试。研究人员认为，与传统超导不同的是，三层石墨烯的超导性是由电子之间的强相互作用造成的。在大多数的常规超导体中，电子以高速运动，它们偶尔相互交错进而相互影响。

在这种情况下，它们的相互作用效果很弱。这种弱相互作用下的超导性能很脆弱，当温度从接近零度的水平稍微上升几开尔文时，超导性能就会丧失。但强相互作用的超导体的稳定性则要大得多，只是人们对其具体性质知之甚少。

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现如今的大多数超导体，包括双层石墨烯体系在内，都只能在超低温环境下运作。可以说，这一结果使研究人员观察到了超导的新维度，为科学家发现驱动了超导的新机制提供了重要线索。研究人员认为，在这种可调的三层石墨烯结构中实现的超导，或将为超导理论和技术的革新铺平道路。

接下来，物理学家们计划进一步探索这种不同寻常的超导性的本质，希望能够为实现高温超导——甚至室温超导这一终极目标开辟新的道路。

参考来源：

https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/02/harvard-scientist-create-trilayer-graphene-superconductor/?utm_medium=Feed&utm_source=Syndication

https://www.quantamagazine.org/graphenes-new-twist-reveals-superconductivitys-secrets-20210316/

https://science.sciencemag.org/content/371/6534/1133#aff-1

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03192-0

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：二宗主

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