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石墨烯引领超导量子未来
来源:微信号 aem-info | 作者:先进电子材料 | 发布时间: 104天前 | 200 次浏览 | 分享到:
超导体

超导体是在几乎没有电阻的情况下传导电流的材料。这种能力使它们对众多应用非常有趣和有吸引力,例如无损电力电缆、电动机和发电机,以及可用于MRI成像和磁悬浮列车的强大电磁体。现在,名古屋大学的研究人员详细介绍了一类新型超导材料,魔角扭曲双层石墨烯的超导特性。

新型超导材料
为了使材料具有超导体的作用,需要低温。大多数材料仅在极低的温度下进入超导阶段,例如-270°C,低于在外太空测量的温度!这严重限制了它们的实际应用,因为这种广泛的冷却需要非常昂贵且专门的液氦冷却设备。这是超导技术仍处于起步阶段的主要原因。高温超导体(HTS),例如一些铁基和铜基超导体,进入-200°C以上的超导阶段,使用液氮更容易实现该温度,将系统冷却至约195.8°C。然而,迄今为止,高温超导的工业和商业应用受到限制。目前已知和可用的HTS材料是脆性陶瓷材料,它们不能延展成有用的形状,如电线。此外,众所周知,它们制造起来困难且昂贵。这使得寻找新的超导材料变得至关重要,并且成为名古屋大学物理系的Hiroshi Kontani教授和Seiichiro Onari博士等物理学家的研究重点。

魔角扭曲双层石墨烯

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最近,已经提出了一种新材料作为潜在的超导体,称为魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)。在MATBG中,两层石墨烯,本质上是排列在蜂窝晶格中的单个二维碳层,被一个魔角(约1.1度)抵消,这导致旋转对称性的破坏和高阶对称性的形成称为SU(4)。随着温度的变化,系统会经历量子涨落,就像原子结构中的水波纹一样,导致电子结构发生新的自发变化和对称性降低。这种旋转对称性破坏被称为向列态,并且与其他材料的超导特性密切相关。

向列状态的来源

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在他们最近发表在PhysicalReviewLetters上的工作中,Kontani教授和Onari博士使用理论方法来更好地理解和阐明MATBG中这种向列状态的来源。“由于我们知道高温超导性可以由铁基超导体等强相关电子系统中的向列波动引起,阐明这种向列有序的机制和起源可以导致更高温度超导体的设计和出现,”Onari博士解释说。

极低超导转变温度
研究人员发现,MATBG中的向列有序源于结合了谷自由度和自旋自由度的新型自由度波动之间的干扰,这在传统的强相关电子系统中尚未得到报道。扭曲双层石墨烯的超导转变温度非常低,为1K(-272°C),但向列态设法将其提高了几度。他们的结果还表明,虽然MATBG在某些方面表现得像铁基高温超导体,但它也具有一些非常令人兴奋的独特特性,例如在谷极化状态下产生磁场的净电荷回路电流,而环路电流被向列状态的每个谷抵消。除了,石墨烯的延展性也可以在增加这些超导体的实际应用方面发挥重要作用。随着对超导的潜在机制的更好理解,科学和技术距离真正的导电未来更近了一步。


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