將單層碳以微小的角度放在另一層碳上，會出現(xiàn)顯著的特性，其中包括極為珍貴的無電阻電流，即超導性。

現(xiàn)在，普林斯頓大學的一組研究人員已經(jīng)在一種稱為魔角扭曲雙層石墨烯的材料中尋找了這種異常行為的根源，并檢測到一系列能量躍遷的特征，這些特征可以幫助解釋這種材料如何產(chǎn)生超導性。該論文于6月11日在線發(fā)表在《自然》雜志上。

“這項研究表明，魔角石墨烯中的電子甚至在材料變得超導之前就處于高度相關(guān)的狀態(tài)，”研究小組的負責人，1909年的物理學教授阿里·亞茲達尼說。“在這個實驗中，當我們添加或刪除電子時，能量的突然轉(zhuǎn)變直接測量了電子之間相互作用的強度。”

這是很重要的，因為這些能量躍遷提供了進入電子的集體行為(例如超導性)的窗口，這些行為出現(xiàn)在魔角扭曲的雙層石墨烯中，該石墨烯是由兩層石墨烯組成的材料，其中頂層旋轉(zhuǎn)了微小角度相對于其他。

在日常金屬中，電子可以在材料中自由移動，但是電子之間的碰撞以及原子的振動會產(chǎn)生電阻，并導致一些電能作為熱量損失，這就是電子設備在使用過程中變熱的原因。

在超導材料中，電子相互配合。普林斯頓理論科學中心的博士后研究人員彪L說：“電子彼此之間是在跳舞”，他是這項研究的第一作者之一，他將于今年秋天成為物理學的助理教授。“他們必須合作才能進入如此出色的狀態(tài)。”

從某種程度上講，兩年前由Pablo Jarillo-Herrero及其團隊在麻省理工學院(MIT)發(fā)現(xiàn)的魔角石墨烯是迄今發(fā)現(xiàn)的最強的超導體之一。即使在很少有自由移動的電子時會發(fā)生超導，該系統(tǒng)中的超導性也相對較強。

研究人員著手探索魔角石墨烯獨特的晶體結(jié)構(gòu)如何促進集體行為。電子不僅具有負電荷，還具有其他兩個特征：角動量或“自旋”，以及晶體結(jié)構(gòu)中可能的運動，稱為“谷”態(tài)。自旋和谷的組合構(gòu)成了電子的各種“風味”。

研究小組特別想知道這些味道如何影響集體行為，因此他們在略高于電子強烈相互作用的溫度下進行了實驗，研究人員將其比作行為的母相。

普林斯頓復雜材料中心的博士后黃永昌說：“我們測量了材料在高溫下的電子之間的力，希望是希望了解這種力將有助于我們理解它在低溫下的超導體。”和共同第一作者。

他們使用了一種稱為掃描隧道顯微鏡的工具，該工具中的導電金屬尖端可以從魔角石墨烯中添加或去除電子，并檢測該電子的最終能量狀態(tài)。

由于相互作用強烈的電子會阻止新電子的添加，因此添加額外的電子會花費一些能量。研究人員可以測量這種能量，并據(jù)此確定相互作用力的強度。

也是第一作者之一的物理學系的研究生凱文·納克爾斯(Kevin Nuckolls)說：“我實際上是在放一個電子，并看到將這種電子推入?yún)f(xié)作槽需要多少能量。”

研究小組發(fā)現(xiàn)，每個電子的添加導致添加另一個電子所需的能量躍升，如果電子能夠進入晶體然后在原子之間自由移動，情況就不會如此。能量躍遷的級聯(lián)是由于每種電子風味的能量躍遷而引起的，因為電子需要采取盡可能低的能量狀態(tài)，同時又不具有與晶體中相同位置的其他電子相同的能量和風味。

該領(lǐng)域中的一個關(guān)鍵問題是電子之間相互作用的強度如何與不存在這種相互作用時電子所具有的能級進行比較。在大多數(shù)普通的低溫超導體中，這是一個很小的校正，但是在稀有的高溫超導體中，據(jù)信電子之間的相互作用會極大地改變電子的能級。在電子之間相互作用如此劇烈的影響下，對超導性的了解還很少。

研究人員檢測到的突然位移的定量測量結(jié)果證實了幻角石墨烯屬于電子之間相互作用強烈的超導體類別。

石墨烯是碳原子的單原子薄層，由于碳的化學性質(zhì)，石墨烯將它們自身排列在平坦的蜂窩狀晶格中。研究人員通過獲取一薄層石墨(與鉛筆中所用的純碳相同)并使用膠帶除去頂層來獲得石墨烯。

然后，他們堆疊兩個原子薄層，并將頂層精確旋轉(zhuǎn)1.1度(即魔角)。這樣做會使材料變得超導，或獲得異常的絕緣或磁性。

Nuckolls說：“如果處于1.2度，那就不好了。這只是一種平淡的金屬。沒有什么有趣的事情發(fā)生。但是，如果處于1.1度，您會看到所有這些有趣的行為。”

這種未對準會產(chǎn)生一種類似于莫爾紋的布置，類似于法國織物。

為了進行實驗，研究人員在普林斯頓大學物理大樓Jadwin Hall的地下室中建立了掃描隧道顯微鏡。顯微鏡如此之高，占據(jù)了兩層樓，顯微鏡坐在一塊花崗巖板上，該花崗巖板漂浮在空氣彈簧上。“我們需要非常精確地隔離設備，因為它對振動非常敏感，”博士后研究助理，第一作者，共同作者Myungchul Oh說。

黃狄龍(Dillon Wong)，凱文·納克爾斯(Kevin Nuckolls)，吳明哲(Myungchul Oh)和標蓮(Biao Lian)對這項工作做出了同樣的貢獻。

獲得博士學位的謝永龍先生做出了其他貢獻。2019年至今，現(xiàn)在是哈佛大學的博士后研究員;尚俊俊(Sangjun Jeon)，現(xiàn)在是首爾中英大學的助理教授;日本國立材料科學研究所(NIMS)的渡邊謙二(Kenji Watanabe)和谷口隆(Takashi Taniguchi);普林斯頓大學物理學教授B. Andrei Bernevig。

以色列魏茲曼科學研究所的Shahal Ilani領(lǐng)導的一個團隊在6月11日同時發(fā)表于《自然》上的一篇論文中注意到了類似的電子相變級聯(lián)，該論文由麻省理工學院的Jarillo-Herrero及其同事，Takashi Taniguchi和Kenana Watanabe的同事組成。 NIMS Japan和柏林自由大學的研究人員。

Yazdani說：“ Weizmann團隊觀察到的過渡與我們使用完全不同的技術(shù)所做的相同。” “很高興看到他們的數(shù)據(jù)與我們的測量和我們的解釋都兼容。”

黃狄龍，凱文·P·納科爾斯，吳明哲，彪煉，謝永龍，桑相俊，渡邊健二，高谷谷口，B。安德烈·伯尼維格和Ali Yazdani于6月11日發(fā)表在《自然》雜志上。