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研究發(fā)現(xiàn)：多層魔角石墨烯家族中的超導性

來源： 科技日報 ? 2022-07-13 10:04:36

據(jù)發(fā)表于近日《自然·材料》雜志的一項最新研究，美國麻省理工學院科學家發(fā)現(xiàn)了多層魔角石墨烯家族中的穩(wěn)健超導性。他們報告了超導魔角偏轉(zhuǎn)4層和5層石墨烯的實驗，將交替偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)堆疊。這一新發(fā)現(xiàn)表明，這一家族的石墨烯中的平帶在超導性中起著核心作用。

這一發(fā)現(xiàn)為設計實用的室溫超導體提供了藍圖。如果該家族的這種特性可復制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(fā)現(xiàn)，如果兩個石墨烯層以一個特定的“神奇”角度堆疊，這種偏轉(zhuǎn)的雙層結構可能會顯示出強大的超導電性。在這種狀態(tài)下，電流可以零阻力流過。最近，這一團隊再次發(fā)現(xiàn)，一種以精確的新魔角堆疊而成的3層偏轉(zhuǎn)石墨烯結構中也存在類似的超導狀態(tài)。

該研究團隊也是第一個發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)。這種被稱為“莫爾超晶格”的偏轉(zhuǎn)結構在超低溫下將材料轉(zhuǎn)變?yōu)閳怨糖页志玫某瑢w。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種材料表現(xiàn)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(tài)下，并且在超低溫下，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(zhuǎn)，也會表現(xiàn)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(zhuǎn)，那么表現(xiàn)出超導性的石墨烯層的數(shù)量應該沒有限制。最后，研究人員證明了他們可在數(shù)學上將每個多層結構與一個常見的平帶結構聯(lián)系起來，從而有力地證明了平帶可能會導致強大的超導性。

標簽： 多層魔角石墨烯 電子結構 麻省理工學院 室溫超導體

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