石墨希

石墨烯研究的意外发现，是否能解开高温超导之谜

2018-03-06 原理

1911年，荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes 惊讶地发现，当汞被冷却至接近绝对零度（零下273.15摄氏度）时，电子可以通行无“阻”。他将这个“零电阻状态”称为“超导电性”。

从那之后，物理学家就不断地想要找到高温超导材料，以应用在日常生活之中。然而，大多数材料只有在接近绝对零度时，才会转变为超导体。即使是所谓的“高温”超导体也只是在相对意义上的：目前零电阻导电的最高温度约为-140ºC。如果有哪种材料能够在室温下表现出超导电性，就可以为能量传输、医用扫描仪和交通领域带来革命性的改变。

3月5日，物理学家在两篇发表在《自然》期刊的论文中指出，当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时，就能在零电阻下导电。更确切地说，物理学家将两层只有原子厚的石墨烯以特别的角度堆叠在一起，当碳原子间的排列呈1.1度（这个角度就是所谓的“魔角”）的角度偏移时，就会使材料变为超导体。尽管该系统仍然需要被冷却至绝对零度以上1.7度，但结果表明了它或许可以像已知的高温超导体那样导电。一旦该结果被确认，此次的发现对于理解高温超导电性至关重要。

○ 其中一篇论文。两篇论文的第一作者均为在麻省理工就读的研究生Yuan Cao（曹原）。| 图片来源：Nature

超导体大致可分为两种类型：可被主流超导理论解释的常规超导体，以及无法用主流理论解释的非常规超导体。最新的研究结果显示了石墨烯的超导行为是非常规的，并且表现出一些与另一种被称为铜氧化物的非常规超导体相似的属性。这种复杂的氧化铜可以在绝对零度的133度之上导电。三十年来，尽管在寻找室温超导体的路上，铜氧化物一直是物理学家所关注的焦点，但其背后的机制依旧使他们困惑。

与铜氧化物相比，堆叠的石墨烯系统相对简单，并且物理学家对它有着更好的理解。

魔术

石墨烯是一种以碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，是一种厚度只有一个碳原子大的二维材料。自石墨烯被发现以来，其诸多优异属性一直令人印象深刻：它比铁还要坚固，比铜的导电性还要好等等。之前，科学家就发现了石墨烯的超导电性，但那只发生在它与其它材料接触时，并且其超导行为可以用常规的超导电性解释。

○ 石墨烯具有许多令人惊喜的性质，可以被应用在许多方面。| 图片来源：Image Guru

麻省理工的物理学家Pablo Jarillo-Herrero和他的团队在实验进行之初并不是为了研究超导电性。他们想要探索的是被称为魔角的方向性会如何影响石墨烯。根据理论家的预测，若二维材料不同层间的原子以特定的角度偏移，可能会诱发电子在薄片中通过，并以有趣的方式作用——然而他们并不知道究竟会是什么方式。

在双层薄片的实验设置中，他们立即就看见了意想不到的行为。首先，对石墨烯的导电性和其带电粒子密度的测量中发现，这种构造已成为一种莫特绝缘体（Mott insulator），这是一种拥有所有导电发生所必需成分的材料，但其粒子间的相互作用却会阻止电子的自由移动使得这一切无法发生。接下来，只需对其稍微施以微弱的电场，以在系统中增加一点额外的电荷载子，它就会成为超导体。

绝缘态的存在与超导电性如此接近是非常规超导体的标志。当研究人员绘制相图（纵轴为材料的电子密度，横轴为温度）时，他们看到了与铜氧化物非常相似的图案。这进一步证明了该材料或许拥有超导电性机制。

○ 在扭转双层石墨烯中的旋转效应：a. 当双层石墨烯被扭曲时，上层薄片被旋转使得无法与下层薄片对齐，从而让元胞（unit cell）得到扩展（红色）。b. 对于小角度的旋转，就会出现所谓的“摩尔纹”（moiré pattern），其中局部堆叠的排列呈周期性变化。| 图片来源：Nature

最后，尽管石墨烯要在超低温下才会表现出超导电性， 但它仅需电子密度是常规超导体的万分之一，就能在相同温度下获得超导能力。在常规的超导体中，这个现象只在当振动允许电子形成一对一对时才出现，成对的电子会稳定它们的行进路径，使它们能在零电阻的情况下流动。但由于石墨烯中可用的电子是如此之少，因此它们可以成对的事实表明系统中的相互作用要比在常规超导体中发生的强的多。

黑暗中寻找光明

关于在非常规超导体中电子会如何相互作用，物理学家各持己见。Robinson说：“高温超导体的其中一个瓶颈是，到现在为止，我们都不知道究竟是什么将电子粘合成对的。”

Bascones表示，基于石墨烯系统要比铜氧化物更容易研究，因此它们将更有益于超导电性的探索。举个例子，为了探索铜氧化物中超导电性的根源，物理学家通常需要将材料暴露在极强的磁场中。为了探索铜氧化物的不同行为，而对它们施以的”调节”，意味着不同样本的研究量的不断加大；而对于石墨烯而言，物理学家只需要简单的调整电场就能达到同样地效果。

物理学家 Kamran Behnia 就表示，虽然他承认麻省理工团队的发现表明了石墨烯是超导体，并且很可能是不寻常的超导体，但他并不认为他们可以笃定地宣称自己看到了莫特绝缘态。

物理学家现在还无法肯定的说——这两种材料中的超导机制是一样的。诺奖得主 Robert Laughlin 表示，现在还尚不清楚在铜氧化物中所看到的所有行为是否都可以发生在石墨烯中。但我们却有理由在这些新的实验所呈现出的足够多的超导行为中找到庆祝的理由。

为了更好地理解铜氧化物，物理学家已经在黑暗之中已摸索了30年。而最新的发现，或许刚刚为物理学家点亮了一束光。

编译：魔理郎

参考来源：

[1] Cao, Y. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature26160 (2018).

[2] Cao, Y. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature26154 (2018).

[3] https://www.nature.com/articles/d41586-018-02660-4

[4] https://www.nature.com/articles/d41586-018-02773-w