物理学家发现坚固的超导石墨烯结构家族

石墨烯是一种单原子厚度的材料，可以从铅笔芯中发现的相同石墨中剥离出来。这种超薄材料完全由碳原子构成，这些碳原子以简单的六边形模式排列，类似于鸡丝。自从2004年被分离出来后，石墨烯被发现在其单层形式中体现了许多非凡的特性。

2018年，麻省理工学院的研究人员发现，如果两个石墨烯层以一个非常具体的”神奇”角度堆叠，扭曲的双层结构可以表现出强大的超导性，这是一种广泛寻求的材料状态，其中电流可以以零能量损失流过。最近，同一研究小组发现在扭曲的三层石墨烯中存在类似的超导状态，一种由三个石墨烯层以精确的新魔法角度堆叠而成的结构。

现在，该小组报告说四层和五层石墨烯可以以新的神奇角度扭曲和堆叠，在低温下引起强大的超导性。这一最新发现发表在本周的《自然-材料》杂志上，将石墨烯的各种扭曲和堆叠配置确立为第一个已知的多层魔角超导体的”家族”。研究小组还确定了石墨烯家族成员之间的相似性和差异。这些发现可以作为设计实用的室温超导体的蓝图。如果家族成员之间的特性可以在其他天然导电材料中得到复制，那么它们就可以被利用，例如，在没有耗散的情况下输送电力，或者建造无摩擦运行的磁悬浮列车。

Jarillo-Herrero小组是第一个发现魔角石墨烯的人，其形式是两个石墨烯片一个放在另一个上面的双层结构，并以1.1度的精确角度稍微偏移。这种扭曲的配置，即所谓的摩尔超晶格，在超低温度下将这种材料转化为一种强大而持久的超导体。研究人员还发现，这种材料表现出一种被称为”平带”的电子结构，在这种结构中，材料的电子具有相同的能量，而不考虑其动量。在这种平带状态下，并在超低温下，通常狂热的电子集体放慢速度，足以在所谓的库珀对中配对。以无阻力地流过材料。

哈佛大学的一个小组得出了计算结果，从数学上证实了三个石墨烯层，以1.6度扭曲，也会表现出平带，并表明它们可能超导。他们继续表明，如果以正确的方式堆叠和扭曲，以他们预测的角度，表现出超导性的石墨烯层的数量应该是没有限制的。最后，他们证明了他们可以在数学上将每一个多层结构与一个共同的平带结构联系起来，有力地证明了平带可能导致强大的超导性。

在这项工作之后不久，Jarillo-Herrero小组发现，的确，在扭曲的三层石墨烯中出现了超导性和平带。三层石墨烯片，像奶酪三明治一样堆叠在一起，中间的奶酪层相对于夹在中间的外层移动了1.6度。但是三层结构与它的双层对应物相比也显示出微妙的差异。