多層魔角石墨烯形成穩健超導性

科技日報北京7月12日電 （實習記者張佳欣）據發表於近日《自然·材料》雜誌的一項最新研究，美國麻省理工學院科學家發現了多層魔角石墨烯家族中的穩健超導性。他們報告了超導魔角偏轉4層和5層石墨烯的實驗，將交替偏轉魔角多層石墨烯建立為可靠的“莫爾超導體家族”。這是第一個已知的多層魔角超導體家族，每個家族成員都由多層石墨烯組成，以精確的角度偏轉堆疊。這一新發現表明，這一家族的石墨烯中的平帶在超導性中起着核心作用。

這一發現為設計實用的室温超導體提供了藍圖。如果該家族的這種特性可複製到其他天然導電材料上，它們就可被利用起來，例如，在零損耗的情況下輸送電力，或者建造磁懸浮列車。

2018年，麻省理工學院的研究人員發現，如果兩個石墨烯層以一個特定的“神奇”角度堆疊，這種偏轉的雙層結構可能會顯示出強大的超導電性。在這種狀態下，電流可以零阻力流過。最近，這一團隊再次發現，一種以精確的新魔角堆疊而成的3層偏轉石墨烯結構中也存在類似的超導狀態。

該研究團隊也是第一個發現魔角石墨烯的團隊。魔角石墨烯是由兩片石墨烯片疊放而成，兩層之間以1.1°的精確角度略微偏轉。這種被稱為“莫爾超晶格”的偏轉結構在超低温下將材料轉變為堅固且持久的超導體。

研究人員還發現，這種材料表現出一種被稱為“平帶”的電子結構，該結構中材料的電子具有相同的能量，而不管它們的動量如何。在這種平帶狀態下，並且在超低温下，電子集體減慢到足以配對成所謂的庫珀對——超導性的基本成分，可在沒有阻力的情況下流過材料。

哈佛大學的一個小組得出的計算結果證實，3個石墨烯層以1.6°偏轉，也會表現出平帶，由此表明它們可能是超導體。

研究表明，如果以預測的角度堆疊和偏轉，那麼表現出超導性的石墨烯層的數量應該沒有限制。最後，研究人員證明了他們可在數學上將每個多層結構與一個常見的平帶結構聯繫起來，從而有力地證明了平帶可能會導致強大的超導性。