石墨烯的量子魔法帶來了新超導材料
超導體是在幾乎沒有任何電阻的情況下傳導電流的材料。這一特性使它們在各種應用中特別有吸引力,其中包括無損耗的電力電纜、電動機和發(fā)電機以及可用于核磁共振成像和磁懸浮列車的強大電磁鐵。 ![]() 現(xiàn)在,來自名古屋大學的研究人員已經(jīng)詳細地展示了一類新超導材料--魔角扭曲雙層石墨烯--的超導特性。 一種材料要表現(xiàn)為超導體需要低溫條件。事實上,大多數(shù)材料只有在極低的溫度下才會進入超導階段,比如-270°C,這比在太空中觀察到的溫度還要低。這意味著需要高度的冷卻。然而由于這種大量的冷卻需要高度昂貴和專門的液氦冷卻設備,所以它的實際用途受到了嚴重限制。這就是超導技術(shù)仍處于早期階段的主要原因。 高溫超導體(HTS)如一些鐵基和銅基超導體在-200℃以上達到超導階段,這個溫度通過用液氮冷卻設備更容易達到,液氮可以將系統(tǒng)冷卻到-195.8℃。然而,到目前為止,HTS的工業(yè)和商業(yè)應用還非常有限。目前已知的和可用的HTS材料都是脆性的陶瓷材料,它們無法彎曲成可用的形狀如電線。此外,它們的生產(chǎn)難度和成本也是眾所周知的。這使得對新型超導材料的探索變得至關(guān)重要,這也是名古屋大學物理系的Hiroshi Kontani教授和Seiichiro Onari博士等物理學家的主要研究重點。 最近,一種新材料被提議作為潛在的超導體,其稱為魔角扭曲雙層石墨烯(MATBG)。在MATBG中,雙層石墨烯本質(zhì)上是排列在蜂窩狀晶格中的單一二維碳層,其以一個神奇的角度(約1.1度)偏移,這帶來了旋轉(zhuǎn)對稱性的破壞并形成一種被稱為SU(4)的高階對稱性。隨著溫度的變化,系統(tǒng)經(jīng)歷了量子波動,就像原子結(jié)構(gòu)中的水波紋一樣,這引發(fā)了電子結(jié)構(gòu)的新自發(fā)變化和對稱性的降低。這種旋轉(zhuǎn)對稱性的破壞被稱為向列狀態(tài),并跟其他材料的超導特性密切相關(guān)。 Kontani教授和Onari博士在他們最近發(fā)表在《Physical Review Letters》上的工作中通過使用理論方法更好地理解和強調(diào)了MATBG中這種向列態(tài)的來源。 |