在2018年春季，新材料中超导性的惊人发现为科学界提供了热情。这种材料通过在另一个上面叠层一块碳板并以“神奇”角度扭转顶层碳纤维而构建，使得电子能够在没有阻力的情况下流动，这种特性可以显着提高能量效率的动力传输并引入许多新技术。
现在，在普林斯顿进行的新实验给出了这种材料(称为魔角扭曲石墨烯)如何产生超导性的暗示。在本周的“ 自然 ”杂志上，普林斯顿的研究人员提供了确凿的证据，证明超导行为是由电子之间强烈的相互作用产生的，从而产生了对超导电流出现时电子遵循的规则的见解。
“这是物理学中最热门的话题之一，”1909年的物理学教授，该研究的高级作者Ali Yazdani说。“这是一种非常简单的材料，只有两片碳，你可以将它们粘在另一块上面，它显示出超导性。”
究竟超导性是如何产生的，这是世界各地的实验室正在竞相解决的一个谜。该领域甚至有一个名称，“twistronics”。
令人兴奋的部分原因是，与现有的超导体相比，该材料非常容易研究，因为它只有两层，只有一种原子 - 碳。
“这种新材料的主要之处在于，它是人们过去40年来一直在思考的所有这些物理学的游乐场，”物理学教授B. Andrei Bernevig说道，该理论专门研究解释复杂材料的理论。
新材料中的超导性似乎与传统超导体的根本不同的机制起作用，传统的超导体如今用于强力磁铁和其他有限的应用。这种新材料与20世纪80年代发现的铜基高温超导体有相似之处，称为铜酸盐。铜酸盐的发现导致了1987年的诺贝尔物理学奖。
新材料由两个原子级薄的碳片组成，称为石墨烯。同样是2010年诺贝尔物理学奖的主题，石墨烯有一个扁平的蜂窝状图案，就像一块鸡丝。2018年3月，Pablo Jarillo-Herrero和他在麻省理工学院的团队在第一层上面放置了第二层石墨烯，然后将顶层旋转了大约1.1度的“魔法”角度。物理学家早些时候已经预测到这个角度会引起新的电子相互作用，但当麻省理工学院的科学家证明超导时，它就会震惊。
从上面看，重叠的鸡丝图案产生一种称为“莫尔条纹”的闪烁效果，当两个几何规则图案重叠时产生，并且曾经在17和18世纪的皇室成员的织物和时尚中流行。
这些莫尔图案产生了普通材料所没有的深刻的新特性。大多数普通材料属于从绝缘到导电的光谱。绝缘体将电子捕获在能量袋或能够使它们卡在适当位置的水平，而金属则包含允许电子从原子到原子的能量状态。在这两种情况下，电子都占据不同的能量水平，不会相互作用或参与集体行为。
然而，在扭曲的石墨烯中，莫尔晶格的物理结构产生能量状态，阻止电子分开，迫使它们相互作用。Yazdani说：“它正在创造一种电子无法相互离开的条件，相反，它们必须处于相似的能量水平，这是产生高度纠缠态的首要条件。”
研究人员提出的问题是这种纠缠是否与其超导性有关。许多简单的金属也是超导的，但到目前为止发现的所有高温超导体，包括铜酸盐，都显示出由电子之间相互排斥引起的高度纠缠态。电子之间的强相互作用似乎是实现更高温度超导性的关键。
为了解决这个问题，普林斯顿大学的研究人员使用了一种扫描隧道显微镜，它非常灵敏，可以对表面上的单个原子进行成像。该团队扫描了魔角扭曲石墨烯样品，通过向附近的电极施加电压来控制电子数量。该研究提供了扭曲双层石墨烯中电子行为的微观信息，而迄今为止的大多数其他研究仅监测了宏观电导率。
通过将电子数量调到非常低或非常高的浓度，研究人员观察到电子的行为几乎是独立的，就像在简单的金属中一样。然而，在该系统中发现超导电子的临界电子浓度下，电子突然出现强烈相互作用和纠缠的迹象。
在超导性出现的浓度下，研究小组发现电子能量水平出乎意料地变得宽泛，这些信号确认了强烈的相互作用和纠缠。尽管如此，Bernevig强调说，虽然这些实验为进一步研究打开了大门，但还需要做更多的工作来详细了解正在发生的纠缠的类型。
“我们还不了解这些系统，”他说。“通过实验和理论建模，我们甚至无法抓住可以学到的东西。”