量子效应可以帮助扭曲双层石墨烯成为超导体

由柏拉图重新发布

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根据物理学家的新实验，量子几何在允许被称为扭曲双层石墨烯 (tBLG) 的材料成为超导体方面发挥着关键作用美国俄亥俄州立大学, 得克萨斯大学达拉斯分校，并国立材料科学研究所在日本。这一发现意味着广泛使用的超导体 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 方程需要针对 tBLG 等具有非常缓慢移动电荷的材料进行修改。研究人员表示，它还可能有助于为寻找在更高温度下工作的新型超导体提供新的指导原则。

石墨烯是以蜂窝状排列的碳原子的二维晶体。这种所谓的“神奇材料”拥有许多卓越的特性，包括高导电性，因为电荷载流子（电子和空穴）以非常高的速度穿过碳晶格。

2018年领导的研究人员巴勃罗·贾里洛·埃雷罗麻省理工学院的研究人员发现，当两个这样的薄片以小角度错位放置在彼此之上时，它们会形成一种称为莫尔超晶格的结构。当它们之间的扭曲角达到（理论上预测的）1.08°的“魔角”时，这种“扭曲”的双层结构开始显示出低于某个临界温度的超导性等特性， T_c, – 也就是说，它导电时没有任何阻力。

在这个角度，电子在两个耦合片中的移动方式发生了变化，因为它们现在被迫以相同的能量组织起来。这导致“平坦”电子带，其中电子态尽管具有不同的动量但具有完全相同的能量。这种平带结构使电子无色散——也就是说，它们的动能被完全抑制，它们不能在莫尔晶格中移动。结果是粒子减慢到几乎停止，并沿着耦合片定位在特定位置。

传导悖论

在这项新工作中，由马克博克拉斯和刘珍妮, 表明 tBLG 中的电子以大约 700–1200 m/s 的速度缓慢移动。这在传统术语中可能看起来很快，但实际上比单层石墨烯中的电子速度慢 1000 倍。

“这个速度构成了 tBLG 中电子的固有速度，因此也限制了材料可以承载多少电流，无论是超导材料还是金属材料，”Lau 解释说。 “这种缓慢的速度引发了一个悖论：如果电子移动得如此缓慢，tBLG 如何导电，更不用说超导了？”

“答案是量子几何，”她说。

普通几何指的是点或物体在空间上的关系——例如，它们相距多远以及它们是如何连接的。量子几何类似，但描述了电子的量子性质，电子不仅是粒子也是波，因而具有波函数，以及这些波函数如何连接和互连。 “事实证明，这种贡献对于实现超导性至关重要，”Bockrath 说 物理世界. “与快速移动的电子不同，电子波函数的丰富联系很重要。”

迄今为止，大多数超导体都是由 BCS 理论（以其发现者 Bardeen、Cooper 和 Schrieffer 的名字命名）描述的。这个理论解释了为什么大多数金属元素在低于其 T_c：它们的费米子电子配对形成称为库珀对的玻色子。这些玻色子形成一种相位相干的凝聚体，可以作为超电流流过材料，不会发生散射，超导性就是由此产生的结果。