惊奇石墨烯的发现可以解开超导的秘密

2018-05-17

物理学家发现,如果两个石墨烯层的三明治以“魔角”扭曲,则它们可以在没有阻力的情况下传导电子。这一发现可能被证明是数十年来寻找室温超导体的重要一步。

大多数超导体仅在接近绝对零度的温度下工作。即使是“高温”超导体也只是在相对意义上被称为:无阻抗导电的最高温度约为-140ºC。在室温下显示该属性的材料(无需昂贵的冷却)可能会彻底改变能量传输,医疗扫描仪和运输。

物理学家现在报道说,安排两层原子厚的石墨烯,使其碳原子的图案偏移1.1°的角度,使材料成为超导体。尽管该系统仍然需要冷却到绝对零度以上1.7度,但结果表明,它可能像已知的高温超导体一样导电 - 这让物理学家兴奋不已。这些发现发表在两篇Nature i 3月5日的论文1,2。

马德里材料科学研究所的物理学家Elena Bascones说,如果得到证实,这一发现可能对理解高温超导性“非常重要”。 “我们可以期待在接下来的几个月里有疯狂的实验活动来填补图片中缺失的部分,”加州斯坦福大学的物理学家和诺贝尔奖得主罗伯特劳克林说。

新闻与观点:在石墨烯中看到的新颖电子状态 / aside

超导体大致有两种类型:常规的,其中的活动可以用超导的主流理论来解释,非常规的,而不是常规的。最新的研究表明,石墨烯的超导行为是非常规的 -​​ 并且与其他非常规超导体称为铜酸盐的活动相似。已知这些复杂的氧化铜在绝对零度以上高达133度处导电。虽然物理学家们在寻找室温超导体方面已经集中了三十年的时间,但其潜在的机制让他们感到困惑。

与铜酸盐相比,堆叠的石墨烯系统相对简单并且材料被很好地理解。 “令人惊叹的暗示是,铜镍合金的超导性一直都很简单。这很难正确计算,“劳克林说。

魔术技巧

石墨烯已经具有令人印象深刻的特性:其由单层碳原子排列成六边形的片材比钢强并且导电性比铜好。它在3之前表现出超导性,但在与其他材料接触时发生,并且这种行为可以用常规超导性来解释。

剑桥麻省理工学院(MIT)的物理学家Pablo Jarillo-Herrero及其团队在开展实验时并未寻找超导性。相反,他们正在探索如何定位这个魔术角度可能会影响石墨烯。理论家们已经预测,在这个特定的角度偏移二维材料层之间的原子可能会诱发电子拉链穿过薄片以有趣的方式相互作用 - 尽管他们不知道如何。

该团队立即在两张表格中看到意外的行为。首先,测量石墨烯的电导率和携带电荷的颗粒的密度,表明该结构已经成为莫特绝缘体2 - 这种材料具有传导电子的所有成分,但颗粒之间的相互作用阻止它们流动。接下来,研究人员利用一个小电场向系统中添加少量额外的电荷载体,并成为超导体1。 Jarillo-Herrero说,这个发现在实验后进行了实验。 “我们用不同的设备制作了所有这些内容,并与合作者一起衡量。这是我们非常有信心的事情,“他说。

非常规超导体如铜酸盐的特征是存在与超导性非常接近的绝缘状态。当研究人员绘制了相图来描绘材料的电子密度与温度的关系时,他们发现了与铜酸盐相似的图案。这提供了进一步的证据,材料可能共享超导机制,Jarillo-Herrero说。

“增加超导电性发生的温度可能会有惊人的技术应用。”

最后,尽管石墨烯在非常低的温度下显示出超导电性,但它仅仅在传统超导体的电子密度的万分之一的情况下能够在相同温度下获得能力。在传统的超导体中,这种现象被认为是在振动使电子形成成对时出现的,这种现象使它们的路径稳定并使它们无阻力地流动。但是由于石墨烯中可用的电子很少,事实上它们可以以某种方式配对,这表明在这个系统中发挥的相互作用应该比传统超导体中发生的相互作用强得多。

导电性混乱

物理学家对于电子如何在非常规超导体中相互作用存在争议。 Robinson说:“高温超导性的瓶颈之一是,即使现在,我们也不明白什么是电子成对结合。”

Bascones说,但是基于石墨烯的器件比铜酸盐更容易研究,这使得它们成为探索超导电性的有用平台。例如,为了探索铜酸盐中超导性的根源,物理学家经常需要将材料置于极端的磁场中。 “调整”他们探索他们的不同行为意味着增长和研究不同样本的大量数据;用石墨烯,物理学家可以通过简单地调整电场来获得相同的结果。

巴黎高等工业物理和化学高级研究所的物理学家Kamran Behnia目前还不相信麻省理工学院团队可以明确宣称已经看到了莫特绝缘体的状态,尽管他表示这些发现确实表明石墨烯是一种超导体,并且可能是一个不寻常的。

物理学家还不能确定地说两种材料中的超导机制是相同的。 Laughlin补充说,目前尚不清楚在铜酸盐中出现的所有行为都发生在石墨烯中。 “但是这些新的实验中有足够的行为出现,以便为谨慎的庆祝做出贡献,”他说。

拉夫林说,物理学家们“在黑暗中徘徊了30年”试图了解铜矿。 “我们中许多人认为光线刚刚亮起。”

Nature 555,151-152(2018)