近日消息，來自西班牙、美國、中國和日本專家組成的國際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，只需很小的電壓變化即可打開或關(guān)閉雙層石墨烯中的超導(dǎo)特性，從而提高了其在電子設(shè)備中的用途。這是在先前關(guān)于扭曲雙層石墨烯及其表現(xiàn)出交替的超導(dǎo)和絕緣區(qū)域的能力的研究基礎(chǔ)上的新發(fā)現(xiàn)。

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的物理學(xué)家艾倫·麥克唐納（AllanMacDonald）說：“制造一種在室溫下具有超導(dǎo)性的材料，這是物理學(xué)的圣杯?！薄耙虼?，這是這項(xiàng)工作動(dòng)機(jī)的一部分：更好地了解材料的高溫超導(dǎo)性。”

這一發(fā)現(xiàn)是名為“轉(zhuǎn)角電子學(xué)”的新興領(lǐng)域取得的重大進(jìn)步，該領(lǐng)域的先驅(qū)包括MacDonald和同樣來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的工程師EmanuelTutuc。世界各地的研究人員花費(fèi)了數(shù)年的辛勤工作，才能將MacDonald的原始理論轉(zhuǎn)化為具有這些奇怪特性的材料，但這值得等待。

2011年，使用量子數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)建模研究二維材料的理論物理學(xué)家MacDonald在研究中有一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)。他與博士后研究員拉菲·比斯特里策（RafiBistritzer）一起，研究了一個(gè)簡單但精確的模型，該模型可以說明當(dāng)二維材料的一個(gè)原子層相對(duì)于另一層稍微扭曲時(shí)，電子在堆疊的2D材料中的行為。麥克唐納認(rèn)為，看似無法解決的問題可以通過集中于系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)而大大簡化。

麥克唐納（MacDonald）和比斯特里策（Bistritzer）所采用的策略被證明是成功的。驚喜來了。當(dāng)他們將該方法應(yīng)用于扭曲的雙層石墨烯時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)在大約1.1度的非常特定的角度（被稱為“魔角”）時(shí)，電子表現(xiàn)出一種奇怪而異常的運(yùn)動(dòng)方式，移動(dòng)速度了突然慢100倍以上。

但是在當(dāng)時(shí)的一段時(shí)間內(nèi)，這一發(fā)現(xiàn)在很大程度上被人們忽略了。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎太不可信，而且，在物理實(shí)驗(yàn)中可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建具有這樣的二維薄片的精確定位的這種系統(tǒng)的物理示例是不明顯的。

但是并不是所有人都對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果感到懷疑。世界各地的一些實(shí)驗(yàn)學(xué)家注意到了這一預(yù)測(cè)，并選擇追求“魔角”。在2018年，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家首次創(chuàng)建了一個(gè)扭曲了1.1度的層狀石墨烯系統(tǒng)，正如MacDonald所預(yù)言的那樣，他們發(fā)現(xiàn)它表現(xiàn)出了卓越的性能-特別是在出乎意料的高溫條件下具有超導(dǎo)性。

麥克唐納說：“沒有簡單的理論可以解釋為什么電子突然減速?！被诠鸫髮W(xué)物理學(xué)家們最近的工作，現(xiàn)在有了與在基本粒子物理學(xué)中經(jīng)常研究的模型有關(guān)的部分解釋。但是，現(xiàn)在在不同的分層2D材料中存在著一系列相關(guān)的效果，扭曲的雙層石墨烯只是其中的一部分?！?/span>

超導(dǎo)材料由于沒有電阻，可以使電子無限地傳播而不會(huì)耗散能量。它們可被用于制造量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)椴恍枰嘿F的制冷設(shè)備，超導(dǎo)材料有可能成為電氣傳輸?shù)母锩圆牧稀?/span>

此后，科學(xué)家們?cè)谂で碾p層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性，從而為蓬勃發(fā)展的子領(lǐng)域提供了燃料，這個(gè)新興學(xué)科叫Twistronics轉(zhuǎn)角電子學(xué)，并且發(fā)展掀起了研究熱潮。

麥克唐納說：”我的工作主要是預(yù)測(cè)從未見過的異?，F(xiàn)象，或者試圖理解尚未被很好理解的現(xiàn)象。“”我被直接連接到實(shí)際發(fā)生的事情的理論所吸引，并且我對(duì)數(shù)學(xué)和理論描述現(xiàn)實(shí)世界的力量很感興趣?！?/span>

層狀2D材料的奇異屬性似乎與粒子間的相互作用有關(guān)，當(dāng)電子放慢速度時(shí)，相互作用會(huì)變得更加關(guān)鍵，從而導(dǎo)致各個(gè)電子之間的強(qiáng)烈相關(guān)性。通常，電子在原子軌道中幾乎分別圍繞原子核繞圈，以最低的可用能量進(jìn)入量子態(tài)。在魔角石墨烯中似乎并非如此。

麥克唐納說：”基本上，當(dāng)電子以占據(jù)最低能量軌道的方式組織它們?cè)谠又械男袨闀r(shí)，沒有什么有趣的事發(fā)生?！啊钡且坏┧鼈兊拿\(yùn)由電子之間的相互作用決定，那么有趣的事情就會(huì)發(fā)生。“

近年來，MacDonald和他的團(tuán)隊(duì)探索了三，四或五層石墨烯以及其他有前途的材料（特別是過渡金屬硫?qū)倩铮┑亩询B方式，以尋找不尋常且可能有用的現(xiàn)象。

現(xiàn)在，麥克唐納（MacDonald）和國際團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于魔角石墨烯的研究，表明該材料可以表現(xiàn)出交替的超導(dǎo)和絕緣相，可以在很小的電壓變化下開啟或關(guān)閉，類似于集成電路中使用的電壓，增加其在電子設(shè)備中的實(shí)用性。為了獲得此結(jié)果，加泰羅尼亞光學(xué)物理研究所的團(tuán)隊(duì)成員生產(chǎn)了石墨烯超晶格，其扭曲度比以前更高。通過這樣做，他們發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)的絕緣狀態(tài)和超導(dǎo)狀態(tài)的圖案比預(yù)期的更加復(fù)雜。TACC超級(jí)計(jì)算機(jī)是MacDonald研究中的關(guān)鍵工具，最近的《自然》雜志將其用于數(shù)據(jù)的理論建模。

他斷言：”我們要做的許多事情，都離不開高性能的計(jì)算機(jī)?！啊蔽覀冮_始在臺(tái)式機(jī)上運(yùn)行，然后很快陷入困境。因此，在很多情況下，使用超級(jí)計(jì)算機(jī)是能夠獲得令人滿意的答案與無法獲得令人滿意的答案之間的區(qū)別?！?/span>

正如MacDonald所顯示的那樣，盡管計(jì)算實(shí)驗(yàn)的結(jié)果似乎不如實(shí)驗(yàn)室中的即時(shí)或”真實(shí)“，但這些結(jié)果可以揭示新的探索途徑，并有助于闡明宇宙的奧秘。

麥克唐納說：”令我的工作充滿活力的是，大自然總是帶來新的問題。當(dāng)你問一個(gè)新類型的問題時(shí)，你并不事先知道答案是什么。“”研究是一次冒險(xiǎn)，我們總是在一次次未知領(lǐng)域的冒險(xiǎn)中進(jìn)步。