MIT發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)石墨烯“家族”

談到石墨烯材料，超導(dǎo)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(xué)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(qiáng)大的超導(dǎo)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(dǎo)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(tuán)隊(duì)報(bào)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(qiáng)大的超導(dǎo)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(dǎo)體“家族”。該團(tuán)隊(duì)還確定了石墨烯家族成員之間的異同。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家已經(jīng)將扭曲石墨烯建立為堅(jiān)固超導(dǎo)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(shè)計(jì)實(shí)用的室溫超導(dǎo)體的藍(lán)圖。如果家庭成員之間的特性可以復(fù)制到其他天然導(dǎo)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(yùn)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?yàn)樗峁┝艘环N設(shè)計(jì)堅(jiān)固超導(dǎo)體的方法?！?/p>

在當(dāng)前的研究中，該團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)大的超導(dǎo)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(qiáng)度、角度和方向的磁場下的響應(yīng)。

這些實(shí)驗(yàn)表明，扭曲的石墨烯結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是一個新的家族，或一類常見的超導(dǎo)材料。實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵特性的同時，也顯示出與其兄弟姐妹的細(xì)微差異。例如，該小組之前的實(shí)驗(yàn)表明，與多層結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)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(tuán)隊(duì)對每種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)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(dǎo)性在某些磁性條件下消失的事實(shí)僅僅是因?yàn)樗乃形锢韺佣家浴胺晴R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(dǎo)狀態(tài)流動的機(jī)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(diǎn)的情況下，人們可能會認(rèn)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(jiān)固的超導(dǎo)體?！?/p>

◎來源| 賢集網(wǎng)