石墨烯是一种只包含单层碳原子的简单材料，但当两片石墨烯叠放在一起并偏移一个小角度时，这种扭曲的双层材料就会产生许多奇妙的效果，尤其是超导效果。
现在，康奈尔大学的研究人员通过确定这种材料可达到的最高超导温度–60 开尔文，在了解这种材料如何达到这种状态方面取得了进展。这一发现在数学上是精确的，这在该领域实属罕见，并促使人们对从根本上控制超导性的因素有了新的认识。
文理学院（A&S）物理学助理教授 Joyce A. Yelencsics Rosevear ’65 和 Frederick M. Rosevear ’64 Debanjan Chowdhury 说：展望未来，这为我们了解应该努力控制和优化哪些可能的自由度以增强这些二维材料平台的超导趋势铺平了道路。
Chowdhury 是 Low-Energy Optical Sum-Rule in Moiré Graphene 一文的合著者，该文于 11 月 4 日发表在Physical Review Letters上（https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.196501）。该研究的第一作者是Juan Felipe Mendez-Valderrama，他是24年博士，现就读于普林斯顿大学；第二作者是Dan Mao，他是2021-2024年康奈尔大学原子和固体物理实验室的Bethe/KIC理论研究员，现就读于苏黎世大学。
Chowdhury说：”将两层石墨烯设置成 1.1 度（一个神奇的角度）会产生戏剧性的效果。”其中一种效果是，实验人员只需改变电场，就能将扭曲的双层石墨烯变成超导体或绝缘体，而这两种材料的电学特性大相径庭。当然，我们想从理论上知道电子在扭曲的石墨烯层中超导的最高温度是多少，以及各种绝缘体和超导体之间的相互作用是如何设定的。”
2023 年，Chowdhury和Dan Mao开发了一种新的理论形式主义，用于计算通过二维材料堆叠和扭曲获得的任何材料中可能的最高超导转变温度。在目前的工作中，他们将其应用于扭曲的双层石墨烯。
门德斯-瓦尔德拉马说：”他们在2023年就开发出了这些严格的表达式，当时你只能近似计算。”我们在这里尝试做的是在扭曲双层石墨烯的现实模型中精确计算，从而对从根本上控制超导性的因素有了新的认识。”
超导性是全球物理实验室最炙手可热的特性之一，它是一种电子在材料中流动而不损失能量的现象。目前，只有在非常低的温度下才能实现这种现象。
在铝等传统材料中，电子以极高的动能运动，几乎感觉不到彼此的存在，因此超导性很好理解。乔杜里说，这大大简化了对超导性的描述。与材料的内在能量尺度相比，传统材料过渡到超导状态的温度也很低。
Chowdhury说，扭曲双层石墨烯的情况则完全相反，因为每个电子的运动都与其他电子高度协调。此外，这种材料的转变温度–从 5 开尔文左右开始–与内在能量尺度相比相对较高，这为将来设计温度更高的超导体带来了希望。
Chowdhury说：”扭曲双层石墨烯的显著特性之一是相关的可调性。”你可以前所未有地控制温度和扭曲角度–施加微小的电场，使材料从绝缘体转变为超导体–这使得在这种材料中探索各种令人兴奋的状态变得非常容易。
Mao说，研究小组开发的理论框架将来可以应用于其他材料。
“我们正在思考扭曲双层石墨烯以外的其他有前景的材料组合，以确定可能的更高温超导体，并试图将这些想法扩展到可以通过实验测量的其他理想的光电子特性，”Mao说。
这项研究得到了美国国家科学基金会和斯隆研究奖学金的部分资助。
凯特-布莱克伍德是文理学院的撰稿人。
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