物理学家发现，如果将两层石墨烯薄片以“魔角”扭曲，就可以无电阻地导电。这一发现可能成为数十年寻求室温超导体的重大一步。
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”超导体也只是相对而言的：它们无电阻导电的最高温度约为−140ºC。如果一种材料在室温下表现出这种特性，就可以消除昂贵的冷却需求，从而彻底改变能源传输、医疗扫描仪和交通运输。
物理学家现在报告说，当将两层原子级厚度的石墨烯排列起来，使它们的碳原子图案偏移1.1º的角度时，该材料就会变成超导体。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——这让物理学家感到兴奋。该发现发表在3月5日出版的两篇1、2篇《自然》论文中。
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马德里材料科学研究所的物理学家埃琳娜·巴斯孔斯说，如果得到证实，这一发现可能对理解高温超导性“非常重要”。加利福尼亚州斯坦福大学的物理学家和诺贝尔奖获得者罗伯特·劳克林说：“我们可以预期，未来几个月将出现一系列的实验活动，以填补这幅图画中缺失的部分。”
超导体大致分为两种类型：常规超导体，其活性可以用超导性的主流理论解释；以及非常规超导体，其活性无法解释。最新的研究表明，石墨烯的超导行为是非常规的——并且与其他被称为铜酸盐的非常规超导体中的活性具有相似之处。已知这些复杂的铜氧化物在高达绝对零度以上133度的温度下导电。尽管物理学家在过去三十年里一直在专注于铜酸盐，以寻找室温超导体，但其潜在的机制一直困扰着他们。
与铜酸盐相比，堆叠的石墨烯系统相对简单，并且这种材料已经得到很好的理解。劳克林说：“令人震惊的含义是，铜酸盐的超导性一直以来都很简单。只是很难正确计算。”
魔术
石墨烯已经具有令人印象深刻的特性：它的薄片由排列成六边形的单层碳原子组成，比钢更坚固，并且导电性优于铜。它之前也显示出超导性3，但它发生在与其他材料接触时，并且其行为可以用传统的超导性来解释。
马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院（MIT）的物理学家帕勃罗·贾里洛-赫雷罗和他的团队在进行实验时，并没有寻找超导性。相反，他们正在探索被称为魔角的取向如何影响石墨烯。理论家们预测，以这个特定的角度偏移二维材料层之间的原子可能会诱导在薄片中快速移动的电子以有趣的方式相互作用——尽管他们并不确切知道是如何相互作用的。
该团队立即在其双层设置中看到了意想不到的行为。首先，对石墨烯电导率和其中携带电荷的粒子密度的测量表明，该结构已成为莫特绝缘体2——一种具有所有导电成分的材料，但其中粒子之间的相互作用会阻止它们流动。接下来，研究人员施加了一个小的电场，向系统中注入少量的额外载流子，它就变成了超导体1。贾里洛-赫雷罗说，该发现在一项又一项的实验中都得到了证实。“我们已经在不同的设备中进行了所有这些操作，并与合作者一起进行了测量。我们对此非常有信心，”他说。
绝缘态如此接近超导态的存在，是非传统超导体（如铜酸盐）的标志。当研究人员绘制出绘制材料电子密度与温度关系的相图时，他们看到的模式与铜酸盐的模式非常相似。贾里洛-赫雷罗说，这进一步证明了这些材料可能具有相同的超导机制。
最后，尽管石墨烯在非常低的温度下表现出超导性，但它仅使用传统超导体在相同温度下获得超导能力时的电子密度的万分之一。在传统的超导体中，该现象被认为是在振动允许电子形成对时产生的，这稳定了它们的路径并使它们能够无电阻地流动。但是，由于石墨烯中可用的电子很少，因此它们能够以某种方式配对这一事实表明，该系统中起作用的相互作用应该比传统超导体中发生的相互作用强得多。
电导率的困惑
物理学家对于电子如何以非传统的超导体相互作用存在严重分歧。罗宾逊说：“高温超导性的瓶颈之一是我们甚至现在都不明白是什么真正将电子粘合成对。”
但是，与铜酸盐相比，基于石墨烯的设备更容易研究，这使它们成为探索超导性的有用平台，巴斯孔斯说。例如，为了探索铜酸盐中超导性的根源，物理学家通常需要将材料置于极端磁场中。并且，“调整”它们以探索其不同的行为意味着生长和研究大量的不同样品；使用石墨烯，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研究所的物理学家卡姆兰·贝尼亚尚未确信麻省理工学院的团队可以明确声称已经看到了莫特绝缘体状态，尽管他说该发现确实表明石墨烯是一种超导体，并且可能是一种不寻常的超导体。
物理学家还不能确定这两种材料中的超导机制是相同的。劳克林补充说，目前尚不清楚铜酸盐中看到的所有行为是否都发生在石墨烯中。“但是，这些新实验中已经出现了足够的行为，足以引起谨慎的庆祝，”他说。
劳克林说，物理学家“在黑暗中摸索了30年”，试图理解铜酸盐。“我们中的许多人认为，一盏灯刚刚亮起。”
本文经许可转载，并于2018年3月5日首次发表。