量子效应让电子静止时也能超导

科学

在孤立原子中，电子占据不同能级的轨道。当这些轨道以固态形式聚集在一起时，它们会合并成能带。这些能带的能量分布取决于原子的排列以及电子移动和相互作用的方式。能量散布较小的能带，也称为平能带，表示电子的速度很低，但通过库仑斥力，电子之间的相互作用非常强烈。当两层石墨烯相对扭曲时，就会出现这种带状结构。在精确的扭转角度（被称为 “魔力角”）下，两层石墨烯将呈现出平带和非常规的电子特性，包括超导性。然而，理论上讲，这些平带应该与超导性不相容。事实上，移动如此缓慢的电子根本不应该导电。

影响

在这项工作中，研究人员研究了扭曲双层石墨烯超导性的原因。目前的超导理论，即Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论，无法解释在远高于绝对零度的温度下超导的材料。这是物理学中一个巨大的未解难题。扭曲双层石墨烯具有超导性，其电子速度非常慢，这表明科学家需要修改 BCS 方程。方程必须包括量子电子所在空间的几何形状。这一发现为寻找高温超导材料提供了新方向。这些超导体将实现重要的实际应用，例如几乎不损失电能的输电线。

摘要

2018 年，研究人员在由旋转 1.08 度特定角度的石墨烯层组成的双层中发现了超导性。现在，在这项研究中，研究人员非常精确地实现了这个神奇的角度。这使得电子在所有石墨烯系统中移动得最慢。令人惊讶的是，尽管电子移动缓慢，该系统仍然具有超导性。这项研究的挑战之一是精确测量这种慢速移动电子的速度。研究人员首次利用了粒子物理学中预言的一种效应–施温格效应，在这种效应中，电子-正电子对在电场作用下自发产生。他们发现，在扭曲的双层石墨烯中，对超导性的主要贡献并非像以前认为的那样来自电子的动能。相反，电子系统的量子特性（称为量子几何）设定了超导响应的尺度，从而解决了这一悖论。

电子既是粒子也是波，而量子几何一词指的是波分量（波函数）的形状以及电子波函数连接和相互联系的方式。在扭曲石墨烯中，电子波函数之间的联系比电子速度更重要。这些见解为修正 BCS 理论和加速发现可在高温下工作的超导体提供了新的原则。