MIT發(fā)現(xiàn)超導石墨烯“家族”

談到石墨烯材料，超導性一直是家族中的“談資”。

石墨烯是一種單原子薄材料，可以從與鉛筆芯相同的石墨中剝離。這種超薄材料完全由碳原子制成，碳原子以簡單的六角形排列，類似于鐵絲網(wǎng)。自 2004 年發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯以其單層形式而具備的許多顯的特性不斷被挖掘。

2018 年，麻省理工學院的研究人員發(fā)現(xiàn)，如果兩個石墨烯層以非常特定的“魔”角堆疊，扭曲的雙層結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出強大的超導性，這是一種廣泛尋求的材料狀態(tài)，其中電流可以以零能量損失流過。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)在扭曲的三層石墨烯中存在類似的超導狀態(tài)——這是一種由三層石墨烯層以精確的新魔角堆疊而成的結(jié)構(gòu)。

該團隊報告指出，四層和五層石墨烯可以以新的魔角扭曲和堆疊，從而在低溫下產(chǎn)生強大的超導性。這一最新發(fā)現(xiàn)于本周發(fā)表在雜志上，確立了石墨烯的各種扭曲和堆疊配置，作為第一個已知的多層魔角超導體“家族”。該團隊還確定了石墨烯家族成員之間的異同。

麻省理工學院的物理學家已經(jīng)將扭曲石墨烯建立為堅固超導體的新“家族”，每個成員都由交替的石墨烯層組成，以精確的角度堆疊。

這些發(fā)現(xiàn)可以作為設計實用的室溫超導體的藍圖。如果家庭成員之間的特性可以復制到其他天然導電材料中，它們就可以被利用，例如，在不耗散的情況下輸送電力或建造無摩擦運行的磁懸浮列車。

“魔角石墨烯系統(tǒng)現(xiàn)在是一個合法的‘家族，超越了幾個系統(tǒng)，”主要作者說，“擁有這個家族特別有意義，因為它提供了一種設計堅固超導體的方法。”

在當前的研究中，該團隊希望提高石墨烯層的數(shù)量。他們制造了兩個新結(jié)構(gòu)，分別由4個和5個石墨烯層制成。每個結(jié)構(gòu)交替堆疊，類似于扭曲的三層石墨烯的移位奶酪三明治。

該團隊將這些結(jié)構(gòu)保存在低于 1 開爾文（約 -273 攝氏度）的冰箱中，讓電流流過每個結(jié)構(gòu)，并在各種條件下測量輸出，類似于對其雙層和三層系統(tǒng)的測試。

總體而言，他們發(fā)現(xiàn)四層和五層扭曲石墨烯也表現(xiàn)出強大的超導性和平坦的帶。這些結(jié)構(gòu)還與它們的三層結(jié)構(gòu)有其他相似之處，例如它們在不同強度、角度和方向的磁場下的響應。

這些實驗表明，扭曲的石墨烯結(jié)構(gòu)可以被認為是一個新的家族，或一類常見的超導材料。實驗還表明，這個家族中可能有一只害群之馬：最初的扭曲雙層結(jié)構(gòu)在共享關鍵特性的同時，也顯示出與其兄弟姐妹的細微差異。例如，該小組之前的實驗表明，與多層結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)的超導性在較低的磁場下會失效，并且隨著磁場的旋轉(zhuǎn)而變得更加不均勻。

該團隊對每種結(jié)構(gòu)類型進行了模擬，以尋求對家庭成員之間差異的解釋。他們得出的結(jié)論是，扭曲雙層石墨烯的超導性在某些磁性條件下消失的事實僅僅是因為它的所有物理層都以“非鏡像”形式存在于結(jié)構(gòu)中。換句話說，結(jié)構(gòu)中沒有兩層是鏡像對立的，而石墨烯的多層兄弟呈現(xiàn)出某種鏡像對稱性。這些發(fā)現(xiàn)表明，驅(qū)動電子以穩(wěn)健的超導狀態(tài)流動的機制在扭曲的石墨烯家族中是相同的。

“這很重要，”研究人員指出，“在不知道這一點的情況下，人們可能會認為雙層石墨烯與多層結(jié)構(gòu)相比更傳統(tǒng)。但我們表明，這整個家族可能是非常規(guī)的、堅固的超導體。”

◎來源| 賢集網(wǎng)