新的研究表明，当扭曲双层石墨烯与二维半导体耦合时，其超导性可以远离魔法角而存在
2018年,研究人员得出了一个惊人的发现,当你两张single-atom-thick石墨烯层之上,旋转的精确1.05度对彼此产生的双层材料呈现新属性:当材料中电子的密度增加的应用程序上的电压附近的电极,它变成了一个superconductor-electrons可以通过材料的自由流动,无阻力。然而，只要电子密度稍有改变，双层就会变成绝缘体，阻止电子流动。
这种特殊的扭曲角度被称为"魔法角，"，它的发现激发了人们对被称为twistronics的物理学分支的兴趣。使材料成为超导体或绝缘体的电子密度彼此非常接近，因此双层石墨烯twi电子学的核心问题是理解为什么绝缘体和超导体这两种状态如此紧密地联系在一起。
现在,加州理工学院的一个小组发现,当扭曲双层石墨烯放置接触single-atom-thick包含重元素钨材料,它可以表现出超导角度相对远离魔法角,它不会改变在任何电子密度为绝缘体,破坏模式。他们的研究发表在7月15日的《自然》杂志上。
绝缘体和超导体以相似的电子密度出现是什么意思?为什么这很重要?
在研究材料的导电性时，物理学家经常讨论相图，这是一个表示电阻作为电子密度(在一个轴上)和温度(在另一个轴上)函数的图。在魔角扭曲双层石墨烯的相图中，超导相和绝缘相在电子密度轴上相邻。石墨烯magic angle扭曲双层膜的超导性和绝缘状态都只在低温下出现，温度比绝对零度略高1摄氏度(- 273.15摄氏度)。但在1980年代,类似的相图是在所谓的高温超导体指出,在更高的温度一到二百度高于绝对零度,仍然冷,但不像被认为是需要冷产生扭曲的石墨烯的超导和绝缘状态。
"Physicists很兴奋的发现,想,如果这两个系统的确是相似的,那么也许学习扭曲双层石墨烯可以教我们一些关于高温超导、"说史蒂夫。Nadj-Perge认为:论文的通讯作者和加州理工学院应用物理学和材料科学助理教授。然而，我们的新发现对这种相似性提出了质疑
要想获得这种神奇的角度，通常需要在两块石墨烯薄片的位置上达到极高的精确度，以至于在众多的样品中只有少数会显示出超导性的特征。加州理工学院开发的新方法放宽了这些严格的要求。在这种方法中，石墨烯薄片被放置在另一种含有钨和硒的二维材料上，这种材料被称为钨二烯(WSe2)。钨的存在增强了电子粒子(描述它们如何与磁场相互作用的亚原子粒子的特性)与其运动之间的耦合。扭曲双层石墨烯中诱导的所谓自旋轨道耦合可以解释超导稳定性。
加州理工学院的研究小组发现，当使用额外的WSe2层时，即使完全没有绝缘状态，超导性也会存在。" Nadj-Perge说，这表明可以通过调整石墨烯层的环境来稳定超导性。
"虽然我们确实在我们的样品中观察到自旋轨道耦合的特征，但这种耦合是否导致了超导的稳定仍然是一个悬而未决的问题。"的Nadj-Perge说，现在下结论还为时过早。我们的观察结果完全出乎意料。这意味着我们只触及了石墨烯电子学的表面。这是战场上激动人心的时刻
论文题目为WSe2稳定金属扭曲双层石墨烯的超导性"。"的合著者包括加州理工学院理论物理学教授杰森·阿里西亚;加州理工学院的研究生Harpreet Arora (PhD '20)， Robert Polski和Yiran Zhang(他们都是论文的主要作者);研究生Youngjoon Choi和Hyunjin Kim;加州理工学院理论物理学谢尔曼·费尔柴尔德博士后学者亚历克斯·汤姆森;提供WSe2晶体的华盛顿大学的林忠、Ilham Zaky Wilson、徐晓东和Chu Jiun-Haw;以及日本国家材料科学研究所的渡边健二和谷口隆。
加州理工学院的这项研究得到了国家科学基金会、美国能源部、加州理工学院谅解备忘录项目、卡维里纳米科学研究所、加州理工学院量子信息与物质研究所、加州理工学院沃特·伯克理论物理研究所和广郑教育基金会的资助。
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