哈佛科学家三层石墨烯的突破开启了高温超导体的大门

2018年，物理学世界被一项发现点燃，当一层超薄的碳被称为石墨烯这种新的双层结构可以转化为超导体，让电流在没有阻力的情况下流动，也不会浪费能量。现在，哈佛大学的科学家们对这个超导系统进行了进一步的扩展，增加了第三层，并将其旋转，为石墨烯超导技术的持续发展打开了大门。

这项工作在一篇新发表的论文中作了描述科学将来有一天，它可以帮助人们研制出在更高甚至接近室温的条件下工作的超导体。这些超导体被认为是凝聚态物理学的圣杯，因为它们将在许多领域带来巨大的技术革命，包括电力传输、运输和量子计算。今天的大多数超导体，包括双层石墨烯结构，只能在超低温下工作。

“超导实验在扭曲的石墨烯为物理学家提供了一个可控的,理论上可访问模型系统,在那里他们可以玩系统的属性来解码高温超导的秘密,”论文的联合作者之一Andrew齐默尔曼说,哈佛大学的博士后研究员在实验室工作的物理学家菲利普·金。

石墨烯是一种原子它是一层很厚的碳原子，强度是钢的200倍，但却极具柔韧性，比纸还轻。人们几乎一直都知道它是热和电流的良好导体，但它是出了名的难处理。解开扭曲双层石墨烯谜团的实验一直在进行中麻省理工学院物理学家Pablo Jarillo-Herrero和他的团队在2018年的实验中开创了新兴的“扭曲电子学”领域，他们通过将石墨烯扭曲到1.1度的神奇角度来生产石墨烯超导体。

哈佛大学的科学家们报告说，他们成功地将三层石墨烯堆叠起来，然后以那个神奇的角度扭动它们，产生了一种三层结构，这种结构不仅具有超导性，而且比许多双堆叠石墨烯更坚固，温度也更高。改进后的新系统对外加电场也很敏感，可以通过调整电场强度来调整超导水平。

“这使我们能够观察到超导体的新维度,为我们提供了重要的线索的机制推动超导、”说,这项研究的另一作者的产品,博士生在艺术与科学研究生院也在金氏集团工作。

其中一个机制让理论家们非常兴奋。三层体系的超导性是由于强电子间的相互作用而不是弱电子间的相互作用。如果这是真的，这不仅有助于打开高温超导的道路，而且可能应用于量子计算。

“在大多数传统的超导体中，电子以高速运动，偶尔交叉路径并相互影响。在这种情况下，我们说它们的相互作用效果很弱，”该研究的合著者、哈佛物理学教授Ashvin Vishwanath实验室的博士后埃斯拉姆·哈拉夫(Eslam Khalaf)说。“虽然弱相互作用的超导体很脆弱，当加热到几开尔文时会失去超导性，但强耦合超导体的弹性要大得多，但人们对其知之甚少。在像三层结构这样简单可调的系统中实现强耦合超导，将为最终发展强耦合超导体的理论理解铺平道路，从而帮助实现高温，甚至室温超导体的目标。”

研究人员计划在进一步的研究中继续探索这种不同寻常的超导性的本质。

“我们了解得越多，就越有机会提高超导转变温度，”Kim说。

2021年2月4日科学。

资助:国家科学基金会，国防部，Simons超量子物质合作