随着电压的变化，双层石墨烯中的超导电性可以开启或关闭
2019-11-06 17:14:41   来源： ()　   评论：0 点击：

　　来自西班牙、美国、中国和日本的一个国际研究小组发现，两层石墨烯中的超导电性可以在电压变化很小的情况下开启或关闭，这增加了它在电子设备中的用途。这与先前关于扭曲的双层石墨烯及其表现出交替超导和绝缘区域的能力有关。

　　“创造出一种在室温下具有超导电性的物质是物理学的圣杯，”德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家艾伦·麦克唐纳(Allan MacDonald)说。“这就是这项工作的动机之一：更好地理解高温超导电性。”

　　这一发现是一个名为Twistrics的新兴领域的重大进步，该领域的先驱包括麦克唐纳和工程师伊曼纽尔·图图克(EmanuelTutuc)，他们也来自德克萨斯大学奥斯汀分校。世界各地的研究人员花了几年的努力才把麦克唐纳最初的洞察力转化为具有这些奇怪特性的材料，但这是值得等待的。

　　2011年，麦克唐纳，一位理论物理学家，利用量子数学和计算机建模来研究二维材料，做出了一个意想不到的发现。与博士后研究人员拉菲·比斯特里策(Rafi Bstritzer)一道，他正致力于建立简单而准确的模型，来描述电子在堆叠的2D材料中的行为，当其中一层相对于其他层略有扭曲时。麦克唐纳认为，如果把注意力集中在系统的一个关键参数上，这个看似无法计算的问题就可以大大简化。

　　麦克唐纳和比斯特里策采用的战略证明是成功的。惊喜来得晚些时候。当他们将他们的方法应用于扭曲的双层石墨烯时，他们发现在一个非常特定的大约1.1度的角度--他们称之为“魔术角”--电子表现出了一种奇怪而不寻常的方式，突然移动速度比以前慢了100多倍。

　　在短期内，这一调查结果基本上被忽视或驳回。结果似乎太不寻常了，不敢相信。此外，创建这样一个系统的物理例子，如此精确地放置二维薄片，在物理上是可以实现的，这一点并不明显。

　　但并不是每个人都对结果感到怀疑或害怕。世界各地的一些实验家注意到了这一预测，并选择追求“魔法角度”。2018年，第一次，他们发现，正如麦克唐纳预测的那样，麻省理工学院的物理学家创造了一套层叠的石墨烯系统，它表现出了非凡的特性--特别是在令人惊讶的高温下的超导电性。.

　　麦克唐纳说：“对于为什么电子突然减速，没有简单的解释。”“由于哈佛大学(Harvard)理论家最近的工作，现在有了一个与基本粒子物理学中经常研究的模型相关的部分解释。但现在，在不同的分层2D材料中，存在着一系列相关效应。扭曲的双层石墨烯只是对其中一部分的窥探。”

　　超导材料没有电阻，允许电子在不消耗能量的情况下无休止地运动。它们被用于量子计算，如果它们不需要昂贵的制冷，就可能成为电力传输的游戏转换器。

　　自那以后，在扭曲的双层石墨烯中发现了超导电性，为蓬勃发展的子领域提供了燃料--Twistrics--以及进一步开发这项技术的热潮。

　　麦克唐纳说：“我的工作是预测以前从未见过的不寻常现象，或者试图理解那些未被很好理解的现象。”“我被直接与实际发生的事情联系在一起的理论所吸引，我对数学和理论描述现实世界的力量感兴趣。”

　　层状2D材料的奇怪性质似乎与相互作用有关，当电子减速时，相互作用变得更为关键，从而导致单个电子之间的强烈关联。通常情况下，电子在原子核轨道上几乎是分开的，以最低的可用能量进入量子态。这似乎不是魔术角石墨烯的情况。

　　麦克唐纳说：“基本上，当电子通过占据最低能量轨道在原子中组织起来时，没有什么有趣的事情发生。”“但一旦电子之间的相互作用决定了它们的命运，那么有趣的事情就会发生。”

　　近年来，麦克唐纳和他的团队探索了三层、四层或五层石墨烯以及其他有前途的材料，特别是过渡金属硫族化合物，寻找不寻常的、可能有用的现象。

　　现在，麦克唐纳和国际研究小组在“魔角石墨烯的性质”上发表了一项研究，表明这种材料可以表现出交替的超导和绝缘相，只要电压变化很小，就可以开启或关闭，这与集成电路中使用的电压相似，增加了它在电子设备上的用途。为了达到这一结果，加泰罗尼亚光学物理研究所的团队成员生产了比以前更均匀的扭曲石墨烯超晶格。在这样做时，他们发现交错绝缘态和超导态的模式比预期更加复杂。

　　TACC超级计算机是麦克唐纳(MacDonald)研究中的一个重要工具，并在最近的“自然”(Nature)杂志上被用于数据的理论建模。

　　“我们所做的许多事情，没有一台高性能的计算机是做不到的，”他断言。“我们一开始在台式机上运行，然后很快就陷入困境。因此，使用超级计算机往往是能够得到令人满意的答案与无法得到令人满意的答案之间的区别。”

　　尽管像麦克唐纳所展示的那样，计算实验的结果似乎没有实验室里的结果那么直接或“真实”，但这些结果可以揭示新的探索途径，并有助于揭示宇宙的奥秘。

　　麦克唐纳说：“让我的工作充满活力的是，大自然总是提出新的问题。当你问一个新的问题时，你事先不知道答案是什么。”“研究是一种冒险，一种社区的冒险，一种集体的随机漫步，通过它知识的前进。”