发现超导石墨烯结构

系统集成洞见

• 麻省理工学院的研究人员发现，四层和五层石墨烯可以以新的神奇角度扭曲和堆叠，从而在低温下产生强大的超导性，这可能有助于为设施创造实用的室温超导体。
• 研究人员发现，这种材料表现出一种被称为“平坦带”的电子结构，无论其动量如何，材料的电子都具有相同的能量。在超冷温度下，通常疯狂的电子集体减速到足以产生库珀对，这是超导的重要组成部分，可以在材料中无阻力地流动。
• 石墨烯一直是高校研究人员关注的焦点，因为它是一种透明而灵活的导体，在太阳能电池、led、触摸屏和智能手机等各种材料/设备应用中有着巨大的前景。

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2018年，麻省理工学院的研究人员发现，如果两个石墨烯层以一个非常特定的“神奇”角度堆叠，扭曲的双层结构可以表现出强大的超导性，这是一种广泛寻求的材料状态，在这种状态下，电流可以流过而能量损失为零。最近，该小组在扭曲的三层石墨烯中发现了类似的超导状态——一种由三层石墨烯以精确的新魔角堆叠而成的结构。

石墨烯是一种单原子薄的材料，可以从铅笔芯中的石墨中剥离出来。这种超薄材料完全由碳原子组成，碳原子以简单的六角形排列，类似于铁丝网。

现在，该团队报告说，四层和五层石墨烯可以以新的神奇角度扭曲和堆叠，从而在低温下产生强大的超导性。这一最新发现发表在本周的自然材料，建立了石墨烯的各种扭曲和堆叠结构，作为第一个已知的多层魔角超导体“家族”。该团队还确定了石墨烯家族成员之间的异同。

研究结果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复制到其他天然导电材料中，它们就可以被利用起来，例如，在不耗散的情况下传递电力，或者建造无摩擦运行的磁悬浮列车。

“魔角石墨烯系统现在是一个合法的‘家族’，而不仅仅是几个系统，”第一作者、麻省理工学院物理系研究生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坚固超导体的方法。”

Park在麻省理工学院的合著者包括曹元、夏立桥、孙淑文、塞希尔和艾达格林物理学教授Pablo Jarillo-Herrero，以及日本筑波国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

“没有限制”

Jarillo-Herrero的小组是首先发现魔术角石墨烯，以双层结构的形式，两片石墨烯片放置在另一片之上，并以1.1度的精确角度略微偏移。这种扭曲的结构被称为moiré超晶格，在超低温下将材料转变为强而持久的超导体。

虽然研究人员观察到扭曲双分子层石墨烯既表现出超导性，又表现出扁平带结构，但尚不清楚前者是否源于后者。

“没有证据表明平坦带结构会导致超导，”Park说。“从那以后，其他研究小组用其他材料制造出了其他扭曲结构，这些材料有一些平坦的带，但它们并没有真正具有强大的超导性。所以我们想知道:我们能不能制造出另一种平带超导设备?”

当他们考虑这个问题时，哈佛大学的一个小组得出了计算结果证实了数学这三层石墨烯，以1.6度扭曲，也会表现出扁平带，这表明它们可能具有超导性。他们接着表示，如果以正确的方式堆叠和扭曲，并且角度正确，那么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个多层结构与一个普通的平坦带结构联系起来——这有力地证明了平坦带可能导致强大的超导性。

帕克说:“他们发现，石墨烯结构可能存在整个层次结构，有无限层，这可能对应于平坦带结构的类似数学表达式。”

在这项工作之后不久，Jarillo-Herrero的小组发现，的确，超导和平坦带出现在扭曲三层石墨烯-三层石墨烯，像奶酪三明治一样堆叠，中间的奶酪层相对于夹在中间的外层移动了1.6度。但与双层结构相比，三层结构也显示出微妙的差异。

“这让我们不禁要问，就整个材料类别而言，这两种结构适合在哪里，它们来自同一个家族吗?”派克说。

一个非传统的家庭

在目前的研究中，研究小组希望增加石墨烯层数。他们制造了两种新的结构，分别由四层和五层石墨烯构成。每个结构交替堆叠，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°C)的冰箱中，让电流通过每个结构，并在不同条件下测量输出，类似于对他们的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石墨烯也表现出强大的超导性和平坦带。这些结构与三层结构也有其他相似之处，比如它们在不同强度、角度和方向的磁场下的反应。

这些实验表明，扭曲石墨烯结构可以被认为是一种新的家族或普通超导材料。实验还表明，家族中可能有害群之马:原始的扭曲双分子层结构虽然具有关键属性，但也表现出与其兄弟姐妹的微妙差异。例如，该小组之前的实验表明，与多层结构相比，该结构的超导性在较低的磁场下会分解，并且随着磁场的旋转而更加不均匀。

研究小组对每种结构类型进行了模拟，以寻找家族成员之间差异的解释。他们得出结论，扭曲双层石墨烯的超导性在特定的磁性条件下会消失，这只是因为它的所有物理层都以“非镜像”的形式存在于结构中。换句话说，在结构中没有两层互为镜像的，而石墨烯的多层兄弟姐妹则表现出某种镜像对称。这些发现表明，驱动电子在强超导状态下流动的机制在扭曲石墨烯家族中是相同的。

“这很重要，”帕克说。“如果不知道这一点，人们可能会认为双层石墨烯比多层结构更传统。但我们表明，这整个家族可能是非常规的、坚固的超导体。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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