多层魔角石墨烯形成稳健超导性

多层魔角石墨烯中形成超导库珀对，相邻层以特定角度交替偏转（艺术图）。
图片来源：麻省理工学院官网

科技日报北京7月12日电 （实习记者张佳欣）据发表于近日《自然·材料》杂志的一项最新研究，美国麻省理工学院科学家发现了多层魔角石墨烯家族中的稳健超导性。他们报告了超导魔角偏转4层和5层石墨烯的实验，将交替偏转魔角多层石墨烯建立为可靠的“莫尔超导体家族”。这是第一个已知的多层魔角超导体家族，每个家族成员都由多层石墨烯组成，以精确的角度偏转堆叠。这一新发现表明，这一家族的石墨烯中的平带在超导性中起着核心作用。

这一发现为设计实用的室温超导体提供了蓝图。如果该家族的这种特性可复制到其他天然导电材料上，它们就可被利用起来，例如，在零损耗的情况下输送电力，或者建造磁悬浮列车。

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特定的“神奇”角度堆叠，这种偏转的双层结构可能会显示出强大的超导电性。在这种状态下，电流可以零阻力流过。最近，这一团队再次发现，一种以精确的新魔角堆叠而成的3层偏转石墨烯结构中也存在类似的超导状态。

该研究团队也是第一个发现魔角石墨烯的团队。魔角石墨烯是由两片石墨烯片叠放而成，两层之间以1.1°的精确角度略微偏转。这种被称为“莫尔超晶格”的偏转结构在超低温下将材料转变为坚固且持久的超导体。

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，该结构中材料的电子具有相同的能量，而不管它们的动量如何。在这种平带状态下，并且在超低温下，电子集体减慢到足以配对成所谓的库珀对——超导性的基本成分，可在没有阻力的情况下流过材料。

哈佛大学的一个小组得出的计算结果证实，3个石墨烯层以1.6°偏转，也会表现出平带，由此表明它们可能是超导体。

研究表明，如果以预测的角度堆叠和偏转，那么表现出超导性的石墨烯层的数量应该没有限制。最后，研究人员证明了他们可在数学上将每个多层结构与一个常见的平带结构联系起来，从而有力地证明了平带可能会导致强大的超导性。