麻省理工学院未来研发更高温超导体打开了新路径

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麻省理工学院的物理学家近日在"魔角"三层扭转石墨烯(magic-angle twisted trilayer graphene,MATTG)中观测到清晰且决定性的非常规超导性证据。这一发现为未来研发更高温超导体打开了新路径,并可能推动零能量损耗电网、量子计算等革命性技术的发展。

超导体能够让电流毫无阻力地穿过材料,因而极其节能。但传统超导体必须在极低温下才能保持超导状态,严重限制了应用范围。因此,科学界持续探索能够在更高温度下工作的"非常规超导体"。MATTG正是近年来最受关注的候选材料之一,由三层石墨烯以特定"魔角"堆叠而成,其内部电子结构因扭角而呈现奇特的量子行为。

此前,MATTG被观测到多种间接的非常规超导迹象,而MIT团队本次在《Science》期刊上发表的成果,被认为是迄今最直接、最明确的证据。

研究团队成功精确测量了MATTG的超导能隙(superconducting gap) ------这是判断一种超导机制是否"非常规"的关键物理量。他们发现,MATTG的能隙呈现明显的V形结构,这与传统超导体平坦均匀的能隙曲线截然不同,说明其超导机理必须由全新的电子作用驱动。

"超导能隙为我们提供了材料何以成为超导体的重要线索。"论文共同第一作者、MIT物理系研究生孙书雯(Shuwen Sun)指出,"理解这些机制将有助于未来设计出甚至可能在室温工作的超导体。"

新型实验平台:在二维材料中"实时观看"超导形成

为了获得这一关键证据,研究团队开发了一种全新的实验平台,将量子隧穿谱技术与电输运测量结合在同一个装置中。隧穿谱可观察电子如何穿过材料,而电输运则可监测材料是否进入零电阻的超导状态。

通过这套系统,研究团队在同一块MATTG样品中同时确认了零电阻(超导特征)与V形隧穿能隙(非常规特征),实现了领域内长期难以做到的"直接关联证明"。

随后,团队研究了能隙在不同温度与磁场下的演化,确认其行为与传统由晶格振动驱动的超导机理不一致。

论文共同作者朴正敏(Jeong Min Park)解释道:"在传统超导体中,电子配对依靠晶格振动。但在魔角石墨烯中,更可能是强电子相互作用本身促成配对,从而形成具有特殊对称性的非常规超导态。"

"扭曲材料体系"(Twistronics)再迎突破

自2018年Pablo Jarillo-Herrero教授团队首次制备魔角双层石墨烯以来,"扭学"(twistronics)迅速成为量子材料领域最热门的方向之一。通过对二维材料进行原子级扭转,可产生莫尔(moiré)干涉图案,使电子出现强关联效应,从而诱发超导、绝缘相和奇特的量子态。

本次对MATTG超导能隙的首次直接测量,是这一研究方向的里程碑成果。团队计划将新平台应用于更多二维扭转材料,以寻找更高温、更稳定的超导体候选者。

"深入理解一种非常规超导体,可能会带来对整个超导体系的突破性认识。"Jarillo-Herrero表示,"这将为我们设计未来的室温超导材料提供方向------那是整个领域的'圣杯'。"

该研究由美国陆军研究办公室、空军科研办公室、国家科学基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会等机构支持。

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