发现一系列“神奇”的超导石墨烯结构

石墨烯是一种二维碳基材料，由一个原子厚的碳层组成，可以通过从铅笔芯中发现的相同石墨中剥离而产生。这种超薄材料完全由碳原子组成，以简单的六边形图案排列。自从2004年首次分离出石墨烯以来，科学家已经发现石墨烯在其单层形式中体现了许多非凡的特性。

2018年，麻省理工学院（MIT）的科学家发现，如果两个石墨烯层以一个非常具体的 “神奇”角度堆叠，扭曲的双层结构可以表现出强大的超导性。在这种被广泛寻求的材料状态下，电流可以零能量损失地流过。最近，同一组研究人员发现在扭曲的三层石墨烯中存在类似的超导状态–一种由三个石墨烯层以一个精确的、新的“魔角”堆叠而成的结构。

现在，该研究小组报告说，四层和五层石墨烯可以以新的“魔角”扭曲和堆叠，在低温下激发出强大的超导性。这一最新发现于2022年7月7日发表在《自然-材料》杂志上，将石墨烯的各种扭曲和堆叠配置确立为第一个已知的多层魔角超导体的 “家族”。该团队还确定了石墨烯家族成员之间的相似性和差异。

这项新发现可以作为设计实用的室温超导体的蓝图。如果家族成员之间的特性可以在其他天然导电材料中得到复制，它们就可以被利用，例如，在没有耗散损失的情况下输送电力，或者建造没有摩擦的磁悬浮列车。

“魔角石墨烯系统现在是一个合法的‘家族’，超越了几个系统，”主要作者、麻省理工学院物理系的研究生Jeong Min（Jane）Park说。“拥有这个家族特别有意义，因为它提供了一种设计稳健超导体的方法。”

Park的麻省理工学院合著者包括曹原、夏立乔、孙树文和Cecil和Ida Green物理学教授Pablo Jarillo-Herrero，以及日本筑波国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

Jarillo-Herrero小组是第一个发现魔角石墨烯的人，其形式是两个石墨烯片的双层结构，一个放在另一个上面，以1.1度的精确角度稍微偏移。这种扭曲的配置，即所谓的摩尔超晶格，在超低温度下将这种材料转化为一种强大而持久的超导体。

研究人员还发现，这种材料表现出一种被称为”平带”的电子结构，在这种结构中，材料的电子具有相同的能量，而不考虑其动量。在这种平带状态下，并且在超低温下，通常狂热的电子集体放慢速度，足以在所谓的库珀对中配对–这是超导性的基本成分，可以无阻力地流过材料。

虽然研究人员观察到扭曲的双层石墨烯同时表现出超导性和平带结构，但并不清楚前者是否来自后者。

Park说：“没有证据表明平带结构导致了超导性。从那时起，其他小组已经从其他材料中产生了其他扭曲的结构，这些材料有一些平坦的带状结构，但它们并没有真正具有强大的超导性。所以我们想知道。我们能不能生产出另一种平带超导设备？”

在他们考虑这个问题时，哈佛大学的一个小组得出的计算结果从数学上证实，三个石墨烯层，以1.6度的角度扭曲，也会表现出平带，并表明它们可能会超导。他们继续表明，如果以正确的方式堆叠和扭曲，在他们预测的角度上，表现出超导性的石墨烯层的数量应该没有限制。最后，他们证明了他们可以在数学上将每一个多层结构与一个共同的平带结构联系起来–有力地证明了平带可能会导致强大的超导性。

“他们研究出可能有这种整个石墨烯结构的层次，到无限层，可能对应于平带结构的类似数学表达，”Park说。

在这项工作之后不久，Jarillo-Herrero小组发现，确实在扭曲的三层石墨烯中出现了超导性和平带–三层石墨烯片，像奶酪三明治一样堆叠在一起，中间的奶酪层相对于夹在中间的外层移动了1.6度。但是三层结构与它的双层对应物相比也显示出微妙的差异。

“这让我们问，就整个材料类别而言，这两种结构在哪里合适，它们是否来自同一个家族？”Park说。

一个非常规的家族

在目前的研究中，该团队希望提高石墨烯层的数量。他们制造了两种新结构，分别由四层和五层石墨烯制成。每个结构都是交替堆叠的，类似于扭曲的三层石墨烯的移位奶酪三明治。

研究小组将这些结构放在低于1开尔文（约-273摄氏度）的冰箱里，让电流通过每个结构，并测量各种条件下的输出，类似于对其双层和三层系统的测试。

总的来说，他们发现四层和五层扭曲的石墨烯也表现出强大的超导性和一个平带结构。这些结构还与它们的三层对应物有其他相似之处，例如它们在不同强度、角度和方向的磁场下的反应。

这些实验表明，扭曲的石墨烯结构可以被认为是一个新的家族，或一类普通的超导材料。实验还表明，这个家族中可能有一只“害群之马”。原始的扭曲的双层结构，虽然共享关键属性，但也显示出与它的“兄弟姐妹们”的微妙差异。例如，该小组以前的实验显示，与多层结构相比，该结构的超导性在较低的磁场下被打破，并且随着磁场的旋转更加不均匀。

研究小组对每种结构类型进行了模拟，为家庭成员之间的差异寻求解释。他们得出的结论是，扭曲的双层石墨烯的超导性在某些磁场条件下消失的事实，只是因为其所有的物理层在结构中以”非镜像”的形式存在。换句话说，该结构中没有两层是相互镜像对立的，而石墨烯的多层结构则表现出某种镜像对称性。这些发现表明，驱动电子在强大的超导状态下流动的机制在整个扭曲的石墨烯家族中是相同的。

“这相当重要，”Park指出。“如果不知道这一点，人们可能会认为双层石墨烯与多层结构相比更加传统。但我们表明，这整个家族可能是非常规的、稳健的超导体。”