研究发现“魔角”石墨烯中令人惊讶的电子相互作用

  在2018年,物理学家表明,当两张纳米材料石墨烯彼此叠置时,会发生一些有趣的事情。当一层相对于另一层旋转到大约1.1度的“魔角”时,该系统将成为超导体,这意味着它以零电阻导电。更令人兴奋的是,有证据表明这是一种超常规的超导形式,这种类型的超导现象可能发生在远高于绝对零值的温度下,大多数超导材料在该温度下起作用。

研究发现“魔角”石墨烯中令人惊讶的电子相互作用

  自最初发现以来,研究人员一直在努力了解这种奇特的物质状态。现在,由布朗大学物理学家领导的研究小组找到了一种新方法,可以精确探测魔角石墨烯中超导状态的性质。该技术使研究人员能够在系统中的两次选举之间(库仑相互作用)控制排斥力。在《科学》杂志上发表的一项研究中,研究人员表明,当减少库仑相互作用时,魔角超导性会变得更强健,这是了解超导体工作原理的重要信息。

  布朗的物理学助理教授,该研究的通讯作者贾力说:“这是任何人第一次证明您可以在高度相关的电子系统中直接控制库仑相互作用的强度。” “超导性是由电子之间的相互作用驱动的,因此,当我们能够操纵该相互作用时,它告诉我们关于该系统的一些真正重要的东西。在这种情况下,证明更弱的库仑相互作用会增强超导性,从而对该系统提供了重要的新理论约束。”

  最初在2018年发现的魔角石墨烯中可能具有非常规超导性,这引起了物理学界的极大兴趣。石墨烯(单原子厚的碳片)是一种相对简单的材料。李说,如果石墨烯确实支持非常规的超导性,那么石墨烯的简单性将使其成为探索这种现象如何起作用的理想场所。

  他说:“非常规超导体令人兴奋,因为它们的高转变温度以及在量子计算机,无损电网和其他地方的潜在应用。” “但是我们仍然没有微观的理论来研究它们的工作原理。这就是为什么当魔角石墨烯中发生看起来像非常规的超导性的事情时,每个人都会如此兴奋。其简单的化学组成和扭转角的可调性保证了更清晰的画面。 。”

  传统的超导性最早是在1950年代由一组物理学家解释的,其中包括长期担任布朗教授和诺贝尔奖获得者莱昂·库珀(Leon Cooper)。他们表明,超导体中的电子以某种方式扭曲了材料的原子晶格,从而使电子形成了称为库珀对的量子二重体,从而能够不受阻碍地穿过该材料。在非常规的超导体中,电子对的形成方式被认为与库珀机制有些不同,但科学家们尚不知道该机制是什么。

  在这项新研究中,Li和他的同事们提出了一种使用库仑相互作用来探测魔角石墨烯中电子配对的方法。库珀配对将电子锁定在一起,彼此之间保持特定距离。这种配对与库仑相互作用竞争,后者试图将电子推开。如果有可能削弱库仑相互作用,那么在理论上库珀对应该变得更牢固地耦合,从而使超导状态更加牢固。这将提供有关Cooper机制是否正在系统中发生的线索。

  为了操纵这项研究的库仑相互作用,研究人员构建了一种装置,该装置可以使一片魔角石墨烯非常接近另一种称为Bernal双层石墨烯的石墨烯薄片。因为这两层是如此之薄且如此紧密,所以魔角样品中的电子变得微微地吸引到了伯纳尔层中带正电的区域。层之间的吸引力有效地削弱了魔角样品中电子之间的库仑相互作用,这一现象被研究人员称为库仑筛选。

  Bernal层的一个属性使其在本研究中特别有用。可以通过改变垂直施加在Bernal层上的电压来在导体和绝缘体之间切换。仅当伯纳尔层处于导电相时才会发生库仑屏蔽效应。因此,通过在导电和绝缘之间切换并观察超导性的相应变化,研究人员可以确保他们所看到的是由于库仑筛查所致。

  研究表明,当库仑相互作用减弱时,超导相变得更强。相破裂的温度变得更高,并且对破坏超导体的磁场更稳定。

  李说:“看到这种材料的这种库仑效应有点令人惊讶。” “我们希望看到这种情况会在常规的超导体中发生,但是有许多证据表明,魔角石墨烯是一种非常规的超导体。因此,任何有关此超导相的微观理论都必须考虑这些信息。”

  李说,这些结果归功于布朗的博士后研究员,该研究的主要作者刘晓雪,他制造了使这一发现成为可能的装置。

  李说:“以前没有人建造过这样的东西。” “从石墨烯的扭曲角度到层之间的间距,一切都必须精确到纳米级。小雪的确非常出色。我们还受益于佛罗里达州理论物理学家奥斯卡·瓦菲克(Oskar Vafek)的理论指导大学。”

  尽管这项研究提供了有关魔角石墨烯的重要新信息,但该技术还可以揭示更多的信息。例如,这项第一项研究仅研究了相角的一部分,以获取魔角超导性。李说,超导相的行为可能在相空间的不同部分发生变化,进一步的研究将揭示这一点。

  李说:“屏蔽库仑相互作用的能力为我们提供了一个新的实验旋钮,有助于理解这些量子现象。” “这种方法可以用于任何二维材料,因此我认为这种方法将有助于设计新型材料。”

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