物理学家从准晶体中哄骗超导性和更多

在可以激发人们对一类被称为准晶体的神秘材料的研究中，麻省理工学院的科学家及其同事发现了一种相对简单，灵活的方法来创建新的原子薄版本，可以针对重要现象进行调整。在最近一期《 自然》杂志报道的工作中，他们描述了这样做以使材料表现出超导性等等。

这项研究引入了一个新的平台，不仅可以更多地了解准晶体，还可以探索难以研究但可能导致重要应用和新物理学的奇异现象。例如，更好地理解超导性，其中电子在没有电阻的情况下穿过材料，可以使电子设备更有效。

这项工作汇集了两个以前不相关的领域：准晶体和扭曲电子学。后者是麻省理工学院塞西尔和艾达格林物理学教授Pablo Jarillo-Herrero的专长，也是新 Nature 论文的通讯作者，他在2018年的“魔角”石墨烯突破启动了该领域。

“扭曲电子学领域不断与物理和化学的其他领域建立意想不到的联系，在这种情况下，准周期晶体的美丽而奇特的世界，这真的很不寻常，”Jarillo-Herrero说，他也隶属于麻省理工学院的材料研究实验室和麻省理工学院电子研究实验室。

做扭曲

Twistronics 涉及原子薄的材料层堆叠在一起。以轻微的角度旋转或扭曲一个或多个层，产生一种称为摩尔纹超晶格的独特图案。反过来，摩尔纹图案也会对电子的行为产生影响。“它改变了电子可用的能级光谱，可以为有趣的现象的出现提供条件，”最近论文的四位共同第一作者之一Sergio C. de la Barrera说。德拉巴雷拉（De la Barrera）在麻省理工学院（MIT）做博士后时主持了这项工作，现在是多伦多大学的助理教授。

摩尔纹系统也可以通过改变添加到系统中的电子数量来针对不同的行为进行定制。因此，扭曲电子学领域在过去五年中爆炸式增长，因为世界各地的研究人员已将其应用于创造新的原子薄量子材料。仅麻省理工学院的例子就包括：

• 将一种被称为魔角扭曲双层石墨烯的摩尔纹材料变成三种不同且有用的电子设备。（参与这项工作的科学家于 2021 年报道，其中包括丹尼尔·罗丹-勒格兰，他是当前工作的共同第一作者，也是麻省理工学院物理学博士后。他们由Jarillo-Herrero领导。
• 将一种新的特性——铁电性——设计成一个著名的半导体家族。（2021年报道的参与这项工作的科学家由贾里洛-埃雷罗领导。
• 预测奇异的新磁性现象，并附有实现它们的“秘诀”。（2023 年报道的参与这项工作的科学家包括麻省理工学院物理学教授梁福和麻省理工学院物理学研究生尼萨尔加·保罗。Fu和Paul都是本文的共同作者。

迈向新的准晶体

在目前的工作中，研究人员正在修补由三片石墨烯制成的摩尔纹系统。石墨烯由单层碳原子组成，排列成六边形，类似于蜂窝结构。在这种情况下，该团队将三张石墨烯片层叠在一起，但以略有不同的角度扭曲其中两片。

令他们惊讶的是，该系统创造了一种准晶体，这是1980年代发现的一类不寻常的材料。顾名思义，准晶体介于具有规则重复结构的晶体（例如钻石）和非晶材料（例如玻璃）之间，“其中原子都是混乱的，或随机排列的，”德拉巴雷拉说。简而言之，准晶体“具有非常奇怪的图案，”德拉巴雷拉说（见此处的一些示例）。

然而，与晶体和非晶材料相比，对准晶体的了解相对较少。这部分是因为它们很难制造。“这并不意味着它们不有趣;这只是意味着我们没有对它们给予太多关注，尤其是它们的电子特性，“德拉巴雷拉说。相对简单的新平台可能会改变这一点。

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因为最初的研究人员不是准晶体专家，所以他们联系了特拉维夫大学的Ron Lifshitz教授。Aviram Uri是该论文的共同第一作者之一，也是麻省理工学院Pappalardo和VATAT博士后研究员，在特拉维夫本科学习期间是Lifshitz的学生，并知道他在准晶体方面的工作。Lifshitz也是 Nature 论文的作者，他帮助团队更好地了解他们正在研究的东西，他们称之为摩尔纹准晶体。

然后，物理学家调整了莫尔准晶体，使其具有超导性，或者在某个低温以下完全没有电阻地传输电流。这很重要，因为超导器件可以通过电子设备比今天更有效地传输电流，但这种现象仍然没有在所有情况下都得到完全理解。新的莫尔准晶体系统为研究它带来了一种新的方法。

研究小组还发现了对称性断裂的证据，这是另一种现象，“告诉我们电子之间的相互作用非常强烈。作为物理学家和量子材料科学家，我们希望我们的电子相互作用，因为这是奇异物理学发生的地方，“德拉巴雷拉说。

最后，“通过跨大洲的讨论，我们能够破译这件事，现在我们相信我们已经很好地掌握了正在发生的事情，”乌里说，尽管他指出“我们还没有完全理解这个系统。还有不少谜团。

研究最好的部分是“解决我们实际创造的难题，”德拉巴雷拉说。“我们期待[其他东西]，所以当我们意识到我们实际上正在看到一些非常新颖和不同的东西时，这是一个非常令人惊喜的惊喜。

“这对我来说是一样的答案，”乌里说。

《自然》论文的其他作者是麻省理工学院物理学教授雷蒙德·C·阿舒里;麻省理工学院林肯实验室的研究员Mallika T. Randeria，他在麻省理工学院担任帕帕拉多研究员，是该论文的另一位共同第一作者;Trithep Devakul，斯坦福大学助理教授，在麻省理工学院担任博士后;哈佛大学博士后菲利普·以及日本国立材料科学研究所的渡边贤治和谷口隆史。

这项工作由美国陆军研究办公室，美国国家科学基金会，戈登和贝蒂摩尔基金会，麻省理工学院帕帕拉多奖学金，VATAT量子科学与技术杰出博士后奖学金，JSPS KAKENHI和以色列科学基金会资助。