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“魔角”石墨烯的超导性和绝缘状态之争

如果你叠两层石墨烯上的另一个,在一个角度和旋转1.1o(不多也不少)从每一种所谓的‘魔角,实验证明,材料可以表现得像一个绝缘体,没有电流流动,同时也可以表现得像一个超导体,电流可以流无阻力。

这一重大发现发生在2018年。去年,也就是2019年,当ICFO的研究人员在提高用于复制此类突破的设备的质量时,他们偶然发现了一些更大、完全出乎意料的东西。他们能够观察到大量以前未观测到的超导态和相关态,以及一组全新的磁态和拓扑态,开启了一个全新的、更丰富的物理学领域。

到目前为止,还没有理论能够在微观层面解释魔术角石墨烯的超导性。然而,这一发现引发了许多研究,这些研究试图理解和揭开这些物质中发生的现象背后的物理学。特别是,科学家们将其与非常规高温超导物质——铜酸盐进行了类比,铜酸盐保持着最高的超导温度,仅比室温低2倍。在发现超导相30年后,它们的微观机制仍然不为人所知。然而,与magic angle twisted双层石墨烯(MATBG)类似,人们认为绝缘相位是导致其附近超导相位的原因。了解超导相与绝缘相之间的关系是研究人员的核心兴趣所在,可能为超导研究带来重大突破。

在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中,ICFO研究人员Petr Stepanov, Ipsita Das, Xiaobo Lu, Frank H. L. Koppens,由ICFO教授Dmitri Efetov领导,与来自麻省理工学院,日本国家材料科学研究所和帝国理工学院的跨学科科学家团队合作,对该系统的物理行为进行了更深入的研究,并报告了几种近魔法角扭曲双层石墨烯(MATBG)器件的详细测试和筛选控制,以寻找上述状态的可能解释。

在他们的实验中,他们能够同时控制电子的速度和相互作用能量,从而将绝缘相转变为超导相。通常,在这个神奇的角度,由于电子的速度非常小,并且它们通过库仑力相互强烈排斥,就会形成一种绝缘状态。在这项研究中,Stepanov和他的团队使用了扭角稍微偏离1.1度的奇异角±0.05度的器件,并将这些器件放置在非常接近金属屏蔽层的位置,通过绝缘六方氮化硼层将其分离出几个纳米。这使得它们能够减少电子之间的排斥力,并加快电子的速度,从而使它们能够自由移动,脱离绝缘状态。

通过这样做,Stepanov和他的同事发现了一些出乎意料的事情。通过改变不同器件配置的电压(载流子密度),超导相保留,相关绝缘子相消失。事实上,即使载流子密度发生变化,超导相也会跨越较大的密度区域。这样的观察结果表明,绝缘和超导相位并非具有相同的起源,而是实际上可以相互竞争,这就对之前人们认为的与铜化物的简单类比产生了疑问。然而,科学家们很快意识到超导相位可能更有趣,因为它接近拓扑状态,通过施加磁场,循环电子相互作用被激活。

神奇角石墨烯的超导性

室温超导性是许多技术目标的关键,例如高效电力传输,无摩擦列车,甚至量子计算机等等。当超导电性在100多年前被发现时,只有在温度降到接近绝对零度的物质中才有可能存在。然后,在80年代末,科学家们通过使用一种叫做铜酸盐的陶瓷材料发现了高温超导体。尽管制造超导体很困难,而且需要应用极端条件(非常强的磁场)来研究这种材料,但基于这一进展,该领域在科学家中就像一个圣杯。自去年以来,这一领域的兴奋点增加了。与铜酸盐相比,碳的双层单层之所以吸引了研究人员,是因为其结构的简单性已成为探索超导复杂物理的绝佳平台。

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