石墨烯是一種二維碳基材料，由一個原子厚的碳層組成，可以通過從鉛筆芯中發現的相同石墨中剝離而產生。這種超薄材料完全由碳原子組成，以簡單的六邊形圖案排列。自從2004年首次分離出石墨烯以來，科學家已經發現石墨烯在其單層形式中體現了許多非凡的特性。
2018年，麻省理工學院（MIT）的科學家發現，如果兩個石墨烯層以一個非常具體的 “神奇”角度堆疊，扭曲的雙層結構可以表現出強大的超導性。在這種被廣泛尋求的材料狀態下，電流可以零能量損失地流過。最近，同一組研究人員發現在扭曲的三層石墨烯中存在類似的超導狀態–一種由三個石墨烯層以一個精確的、新的“魔角”堆疊而成的結構。
現在，該研究小組報告說，四層和五層石墨烯可以以新的“魔角”扭曲和堆疊，在低溫下激發出強大的超導性。這一最新發現於2022年7月7日發表在《自然-材料》雜誌上，將石墨烯的各種扭曲和堆疊配置確立為第一個已知的多層魔角超導體的 “家族”。該團隊還確定了石墨烯家族成員之間的相似性和差異。
這項新發現可以作為設計實用的室溫超導體的藍圖。如果家族成員之間的特性可以在其他天然導電材料中得到複製，它們就可以被利用，例如，在沒有耗散損失的情況下輸送電力，或者建造沒有摩擦的磁懸浮列車。
“魔角石墨烯系統現在是一個合法的‘家族’，超越了幾個系統，”主要作者、麻省理工學院物理系的研究生Jeong Min（Jane）Park說。“擁有這個家族特別有意義，因為它提供了一種設計穩健超導體的方法。”
Park的麻省理工學院合著者包括曹原、夏立喬、孫樹文和Cecil和Ida Green物理學教授Pablo Jarillo-Herrero，以及日本筑波國家材料科學研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。
Jarillo-Herrero小組是第一個發現魔角石墨烯的人，其形式是兩個石墨烯片的雙層結構，一個放在另一個上面，以1.1度的精確角度稍微偏移。這種扭曲的配置，即所謂的摩爾超晶格，在超低溫度下將這種材料轉化為一種強大而持久的超導體。
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，在這種結構中，材料的電子具有相同的能量，而不考慮其動量。在這種平帶狀態下，並且在超低溫下，通常狂熱的電子集體放慢速度，足以在所謂的庫珀對中配對–這是超導性的基本成分，可以無阻力地流過材料。
雖然研究人員觀察到扭曲的雙層石墨烯同時表現出超導性和平帶結構，但並不清楚前者是否來自後者。
Park說：“沒有證據表明平帶結構導致了超導性。從那時起，其他小組已經從其他材料中產生了其他扭曲的結構，這些材料有一些平坦的帶狀結構，但它們並沒有真正具有強大的超導性。所以我們想知道。我們能不能生產出另一種平帶超導設備？”
在他們考慮這個問題時，哈佛大學的一個小組得出的計算結果從數學上證實，三個石墨烯層，以1.6度的角度扭曲，也會表現出平帶，並表明它們可能會超導。他們繼續表明，如果以正確的方式堆疊和扭曲，在他們預測的角度上，表現出超導性的石墨烯層的數量應該沒有限制。最後，他們證明了他們可以在數學上將每一個多層結構與一個共同的平帶結構聯繫起來–有力地證明了平帶可能會導致強大的超導性。
“他們研究出可能有這種整個石墨烯結構的層次，到無限層，可能對應於平帶結構的類似數學表達，”Park說。
在這項工作之後不久，Jarillo-Herrero小組發現，確實在扭曲的三層石墨烯中出現了超導性和平帶–三層石墨烯片，像奶酪三明治一樣堆疊在一起，中間的奶酪層相對於夾在中間的外層移動了1.6度。但是三層結構與它的雙層對應物相比也顯示出微妙的差異。
“這讓我們問，就整個材料類別而言，這兩種結構在哪裡合適，它們是否來自同一個家族？”Park說。
一個非常規的家族
在目前的研究中，該團隊希望提高石墨烯層的數量。他們製造了兩種新結構，分別由四層和五層石墨烯製成。每個結構都是交替堆疊的，類似於扭曲的三層石墨烯的移位奶酪三明治。
研究小組將這些結構放在低於1開爾文（約-273攝氏度）的冰箱里，讓電流通過每個結構，並測量各種條件下的輸出，類似於對其雙層和三層系統的測試。
總的來說，他們發現四層和五層扭曲的石墨烯也表現出強大的超導性和一個平帶結構。這些結構還與它們的三層對應物有其他相似之處，例如它們在不同強度、角度和方向的磁場下的反應。
這些實驗表明，扭曲的石墨烯結構可以被認為是一個新的家族，或一類普通的超導材料。實驗還表明，這個家族中可能有一隻“害群之馬”。原始的扭曲的雙層結構，雖然共享關鍵屬性，但也顯示出與它的“兄弟姐妹們”的微妙差異。例如，該小組以前的實驗顯示，與多層結構相比，該結構的超導性在較低的磁場下被打破，並且隨着磁場的旋轉更加不均勻。
研究小組對每種結構類型進行了模擬，為家庭成員之間的差異尋求解釋。他們得出的結論是，扭曲的雙層石墨烯的超導性在某些磁場條件下消失的事實，只是因為其所有的物理層在結構中以”非鏡像”的形式存在。換句話說，該結構中沒有兩層是相互鏡像對立的，而石墨烯的多層結構則表現出某種鏡像對稱性。這些發現表明，驅動電子在強大的超導狀態下流動的機制在整個扭曲的石墨烯家族中是相同的。
“這相當重要，”Park指出。“如果不知道這一點，人們可能會認為雙層石墨烯與多層結構相比更加傳統。但我們表明，這整個家族可能是非常規的、穩健的超導體。”