普林斯顿团队更好地了解了“魔角”石墨烯的超导性

普林斯顿大学的研究人员通过显示石墨烯与高温超导体的超导性之间的惊人相似性，消除了围绕“魔角”石墨烯的一些神秘性。神奇的石墨烯可能是解锁超导性新机制的关键，包括高温超导性。

普林斯顿大学物理教授兼复杂材料中心主任Ali Yazdani领导了这项研究。多年来，他和他的团队研究了许多不同类型的超导体，最近将注意力转向了神奇的双层石墨烯。Yazdani说：“有些人认为，神奇的双层石墨烯实际上是一种伪装成非凡材料的普通超导体，但当我们显微镜检查它时，它具有高温铜质超导体的许多特征。”这是一个déjà vu时刻。”

超导性最初是在极低温下在铝和铌等元素中发现的。近年来，在极高的高压下，以及在陶瓷化合物中液氮沸点（77度开尔文）的温度刚好高于室温时，它被发现。

由铝等纯元素制成的超导体是研究人员所谓的常规。超导状态——电子配对在一起——可以用所谓的Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论来解释。这是自1950年代末以来对超导性的标准描述。但从1980年代末开始，发现了不符合BCS理论的新超导体。在这些“非常规”超导体中，最值得注意的是陶瓷氧化铜（称为铜酸盐），在过去三十年里，它们仍然是一个谜。

Pablo Jarillo-Herrero和他的团队在麻省理工学院（MIT）最初发现的魔法双层石墨烯中的超导性表明，这种材料最初是一种绝缘体，但随着电荷载体的少量添加，它变成了超导。来自绝缘体而不是金属的超导性的出现是许多非常规超导体的标志之一，包括最著名的铜质。

博士后研究员、论文的主要合著者之一Myungchul Oh说：“他们怀疑超导性可能像杯形一样是非常规的，但不幸的是，他们没有任何对超导状态的具体实验测量来支持这一结论。”

为了研究魔法双层石墨烯的超导特性，Oh和他的同事使用扫描隧道显微镜（STM）来观察无限小和复杂的电子世界。该设备依赖于一种被称为“量子隧穿”的新现象，即电子在显微镜和样品的锋利金属尖端之间。显微镜使用这种隧道电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界。

当团队分析数据时，他们注意到两个突出的主要特征，即“签名”，向他们透露，神奇的双层石墨烯样本表现出非常规的超导性。第一个特征是超导的配对电子具有有限的角动量，这种行为类似于二十年前高温杯形。当对在常规超导体中形成时，它们没有净角动量，其方式类似于氢原子中与氢原子结合的电子。

STM通过将电子进出样本来运行。在所有电子配对的超导体中，只有当超导体的对被拆分时，样品和STM尖端之间的电流才可能。“将这对分开需要能量，这种电流的能量依赖性取决于配对的性质。在魔法石墨烯中，我们发现了有限动量配对的能量依赖性，”Yazdani说。“这一发现有力地限制了魔法石墨烯配对的微观机制。”

普林斯顿团队还发现了当超导状态通过提高温度或施加磁场来淬火时，魔法双层石墨烯的行为。在传统的超导体中，当超导性被杀死时，材料行为与普通金属的行为相同——电子不配对。然而，在非常规超导体中，即使不超导，电子似乎也保留了一些相关性，这种情况表现为从样本中去除电子的阈值能量大致相同。物理学家将这种阈值能量称为“伪多巴”，这是一种在许多非常规超导体的非超导状态下发现的行为。它的起源已经是一个谜，二十多年了。

物理学研究生、论文的主要合著者之一Kevin Nuckolls说：“一种可能性是，即使样本不是超导的，电子仍然在某种程度上配对在一起。”“这种伪多巴状态就像一个失败的超导体。”

研究论文中提到的另一种可能性是，负责伪道夫的某种其他形式的集体电子状态必须在超导发生之前首先形成。

Yazdani说：“无论哪种方式，与杯形速率的peusdogap的实验签名以及有限的动量配对的相似性都不可能都是巧合。”“这些问题看起来非常相关。”

Oh说，未来的研究将涉及试图了解是什么导致电子在非常规超导性中配对——这一现象继续困扰物理学家。BCS理论依赖于电子之间的弱相互作用及其配对成为可能，因为它们与离子的潜在振动相互作用。然而，非常规超导体中的电子配对通常比简单金属中的电子配对要强得多，但其原因——将它们联系在一起的“胶水”——目前还不清楚。

Oh说：“我希望我们的研究将有助于物理界更好地了解非常规超导力学。”“我们还希望我们的研究将激励实验物理学家共同努力，揭示这一现象的性质。”