2019-08-01 06:53:01
实验探索了魔角超导体的奥秘

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在2018年春季,新材料中超导性的惊人发现为科学界提供了热情。这种材料通过在另一个上面叠层一块碳板并以“神奇”角度扭转顶层碳纤维而构建,使得电子能够在没有阻力的情况下流动,这种特性可以显着提高能量效率的动力传输并引入许多新技术。

现在,在普林斯顿进行的新实验暗示了这种被称为魔角扭曲石墨烯的材料如何产生超导性。在本周的“自然”杂志上,普林斯顿的研究人员提供了确凿的证据,证明超导行为是由电子之间强烈的相互作用产生的,从而产生了对超导电流出现时电子遵循的规则的见解。

“这是物理学中最热门的话题之一,”1909年的物理学教授,该研究的高级作者Ali Yazdani说。 “这是一种非常简单的材料,只有两片碳,你可以将它们粘在另一块上面,它显示出超导性。”

究竟超导性是如何产生的,这是世界各地的实验室正在竞相解决的一个谜。该领域甚至有一个名称,“twistronics”。

令人兴奋的部分原因是,与现有的超导体相比,该材料非常容易研究,因为它只有两层,只有一种原子 - 碳。

“这种新材料的主要之处在于,它是人们过去40年来一直在思考的所有这些物理学的游乐场,”物理学教授B. Andrei Bernevig说道,该理论专门研究解释复杂材料的理论。

新材料中的超导性似乎与传统超导体的根本不同的机制起作用,传统的超导体如今用于强力磁铁和其他有限的应用。这种新材料与20世纪80年代发现的铜基高温超导体有相似之处,称为铜酸盐。铜酸盐的发现导致了1987年的诺贝尔物理学奖。

新材料由两个原子级薄的碳片组成,称为石墨烯。同样是2010年诺贝尔物理学奖的主题,石墨烯有一个扁平的蜂窝状图案,就像一块鸡丝。 2018年3月,Pablo Jarillo-Herrero和他在麻省理工学院的团队在第一层上面放置了第二层石墨烯,然后将顶层旋转了大约1.1度的“魔法”角度。物理学家早些时候已经预测到这个角度会引起新的电子相互作用,但当麻省理工学院的科学家证明超导时,它就会震惊。

从上面看,重叠的鸡丝图案产生一种称为“莫尔条纹”的闪烁效果,当两个几何规则图案重叠时产生,并且曾经在17和18世纪的皇室成员的织物和时尚中流行。

这些莫尔图案产生了普通材料所没有的深刻的新特性。大多数普通材料属于从绝缘到导电的光谱。绝缘体将电子捕获在能量袋或能够使它们卡在适当位置的水平,而金属则包含允许电子从原子到原子的能量状态。在这两种情况下,电子都占据不同的能量水平,不会相互作用或参与集体行为。

然而,在扭曲的石墨烯中,莫尔晶格的物理结构产生能量状态,阻止电子分开,迫使它们相互作用。 Yazdani说:“它正在创造一种电子无法相互离开的条件,相反,它们必须处于相似的能量水平,这是产生高度纠缠态的首要条件。”

研究人员提出的问题是这种纠缠是否与其超导性有关。许多简单的金属也是超导的,但到目前为止发现的所有高温超导体,包括铜酸盐,都显示出由电子之间相互排斥引起的高度纠缠态。电子之间的强相互作用似乎是实现更高温度超导性的关键。

为了解决这个问题,普林斯顿大学的研究人员使用了一种扫描隧道显微镜,它非常灵敏,可以对表面上的单个原子进行成像。该团队扫描了魔角扭曲石墨烯样品,通过向附近的电极施加电压来控制电子数量。该研究提供了扭曲双层石墨烯中电子行为的微观信息,而迄今为止的大多数其他研究仅监测了宏观电导率。

通过将电子数量调到非常低或非常高的浓度,研究人员观察到电子的行为几乎是独立的,就像在简单的金属中一样。然而,在该系统中发现超导电子的临界电子浓度下,电子突然出现强烈相互作用和纠缠的迹象。

在超导性出现的浓度下,研究小组发现电子能量水平出乎意料地变得宽泛,这些信号确认了强烈的相互作用和纠缠。尽管如此,Bernevig强调说,虽然这些实验为进一步研究打开了大门,但还需要做更多的工作来详细了解正在发生的纠缠的类型。

“我们还不了解这些系统,”他说。 “通过实验和理论建模,我们甚至无法抓住可以学到的东西。”

该研究的贡献者包括日本国立材料科学研究所的Watji Wateabe和Takashi Taniguchi;研究生和第一作者谢永龙,博士后研究员BertholdJäck,博士后研究员刘晓萌,以及Yazdani研究小组的研究生Cheng-Li Chiu;和Bernevig研究小组的Biao Lian。

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