《Nature》重磅：双层石墨烯的超导可通过电压调控

近日消息，来自西班牙、美国、中国和日本专家组成的国际研究团队发现，只需很小的电压变化即可打开或关闭双层石墨烯中的超导特性，从而提高了其在电子设备中的用途。这是在先前关于扭曲双层石墨烯及其表现出交替的超导和绝缘区域的能力的研究基础上的新发现。

得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家艾伦·麦克唐纳（AllanMacDonald）说：“制造一种在室温下具有超导性的材料，这是物理学的圣杯。”“因此，这是这项工作动机的一部分：更好地了解材料的高温超导性。”

这一发现是名为“转角电子学”的新兴领域取得的重大进步，该领域的先驱包括MacDonald和同样来自德克萨斯大学奥斯汀分校的工程师EmanuelTutuc。世界各地的研究人员花费了数年的辛勤工作，才能将MacDonald的原始理论转化为具有这些奇怪特性的材料，但这值得等待。

2011年，使用量子数学和计算机建模研究二维材料的理论物理学家MacDonald在研究中有一个意外发现。他与博士后研究员拉菲·比斯特里策（RafiBistritzer）一起，研究了一个简单但精确的模型，该模型可以说明当二维材料的一个原子层相对于另一层稍微扭曲时，电子在堆叠的2D材料中的行为。麦克唐纳认为，看似无法解决的问题可以通过集中于系统的一个关键参数而大大简化。

麦克唐纳（MacDonald）和比斯特里策（Bistritzer）所采用的策略被证明是成功的。惊喜来了。当他们将该方法应用于扭曲的双层石墨烯时，他们发现在大约1.1度的非常特定的角度（被称为“魔角”）时，电子表现出一种奇怪而异常的运动方式，移动速度了突然慢100倍以上。

但是在当时的一段时间内，这一发现在很大程度上被人们忽略了。因为这个实验结果似乎太不可信，而且，在物理实验中可以实现创建具有这样的二维薄片的精确定位的这种系统的物理示例是不明显的。

但是并不是所有人都对这个实验结果感到怀疑。世界各地的一些实验学家注意到了这一预测，并选择追求“魔角”。在2018年，麻省理工学院的物理学家首次创建了一个扭曲了1.1度的层状石墨烯系统，正如MacDonald所预言的那样，他们发现它表现出了卓越的性能-特别是在出乎意料的高温条件下具有超导性。

麦克唐纳说：“没有简单的理论可以解释为什么电子突然减速。”基于哈佛大学物理学家们最近的工作，现在有了与在基本粒子物理学中经常研究的模型有关的部分解释。但是，现在在不同的分层2D材料中存在着一系列相关的效果，扭曲的双层石墨烯只是其中的一部分。“

超导材料由于没有电阻，可以使电子无限地传播而不会耗散能量。它们可被用于制造量子计算机，因为不需要昂贵的制冷设备，超导材料有可能成为电气传输的革命性材料。

此后，科学家们在扭曲的双层石墨烯中发现了超导性，从而为蓬勃发展的子领域提供了燃料，这个新兴学科叫Twistronics转角电子学，并且发展掀起了研究热潮。

麦克唐纳说：”我的工作主要是预测从未见过的异常现象，或者试图理解尚未被很好理解的现象。“”我被直接连接到实际发生的事情的理论所吸引，并且我对数学和理论描述现实世界的力量很感兴趣。“

层状2D材料的奇异属性似乎与粒子间的相互作用有关，当电子放慢速度时，相互作用会变得更加关键，从而导致各个电子之间的强烈相关性。通常，电子在原子轨道中几乎分别围绕原子核绕圈，以最低的可用能量进入量子态。在魔角石墨烯中似乎并非如此。

麦克唐纳说：”基本上，当电子以占据最低能量轨道的方式组织它们在原子中的行为时，没有什么有趣的事发生。“”但是一旦它们的命运由电子之间的相互作用决定，那么有趣的事情就会发生。“

近年来，MacDonald和他的团队探索了三，四或五层石墨烯以及其他有前途的材料（特别是过渡金属硫属化物）的堆叠方式，以寻找不寻常且可能有用的现象。

现在，麦克唐纳（MacDonald）和国际团队在《自然》上发表了一项关于魔角石墨烯的研究，表明该材料可以表现出交替的超导和绝缘相，可以在很小的电压变化下开启或关闭，类似于集成电路中使用的电压，增加其在电子设备中的实用性。为了获得此结果，加泰罗尼亚光学物理研究所的团队成员生产了石墨烯超晶格，其扭曲度比以前更高。通过这样做，他们发现交错的绝缘状态和超导状态的图案比预期的更加复杂。TACC超级计算机是MacDonald研究中的关键工具，最近的《自然》杂志将其用于数据的理论建模。

他断言：”我们要做的许多事情，都离不开高性能的计算机。“”我们开始在台式机上运行，然后很快陷入困境。因此，在很多情况下，使用超级计算机是能够获得令人满意的答案与无法获得令人满意的答案之间的区别。“

正如MacDonald所显示的那样，尽管计算实验的结果似乎不如实验室中的即时或”真实“，但这些结果可以揭示新的探索途径，并有助于阐明宇宙的奥秘。

麦克唐纳说：”令我的工作充满活力的是，大自然总是带来新的问题。当你问一个新类型的问题时，你并不事先知道答案是什么。“”研究是一次冒险，我们总是在一次次未知领域的冒险中进步。