扭曲双层石墨烯中以前未观察到的状态的新动物园

发现的物质的不同状态的双层和动物园的艺术插图。

ICFO的一个研究小组使用扭曲的双层石墨烯揭示了一个以前从未观察到的状态的新动物园，从超导到绝缘再到新的一系列磁和拓扑状态。该研究已发表在《自然》杂志上。

去年，石墨烯在头条新闻上再次引起轰动，当时科学家发现，只需将这种材料的两层一层又一层地旋转，就可以像超导体一样运作，电流可以无阻地流动。仅当两个石墨烯层以1.1（不多于少）的角度相互扭曲时才出现这种新的物质相，即所º谓的魔角，并且总是伴随着神秘的绝缘体相，类似于在神秘的铜酸盐高温超导体中观察到的情况。

现在，巴塞罗那ICFO的研究人员已经成功地大大改善了该设置的设备质量，并且在此过程中偶然发现了更大甚至完全出乎意料的东西。他们能够观察到一个以前从未观察到的超导态和相关态的动物园，以及一套全新的磁态和拓扑态，从而开辟了一个更加丰富的物理学的全新领域。

器件特写（扭曲的双层石墨烯结构在正方形的黑色中心区域）。

室温超导性是许多技术目标的关键，例如高效的动力传输，无摩擦的火车甚至是量子计算机等。在100多年前被发现时，只有在冷却到接近绝对零温度的材料中才有超导性。然后，在80年代后期，科学家通过使用称为铜酸盐的陶瓷材料发现了高温超导体。

尽管建造超导体很困难，并且需要应用极端条件（非常强的磁场）来研究这种材料，但基于这一进展，该领域还是科学家们的圣杯。自去年以来，围绕这一领域的热情增加了。碳的双单分子层吸引了研究人员，因为与铜酸盐相比，其结构简单性已成为探索超导复杂物理的绝佳平台。

放置在部件上的设备的特写镜头，随后将其调整为实验设置。

最近在《自然》杂志上发表的这项新研究是由ICFO研究人员Lumitbo Lu，Petr Stepanov，Mohammed Ali Aamir，Ipsita Das进行的，由ICFO教授Dmitri Efetov领导，并得到了ICFO教授Adrian Bachtold的研究实验室的支持，并与中国科学院UT奥斯汀分校和日本国立材料科学研究所的跨学科小组。在他们的实验中，使用“撕裂和堆叠”范德华装配技术，ICFO的科学家们能够设计出石墨烯的两个堆叠单层，仅旋转了º1.1角（即魔角）。然后，他们使用机械清洁工艺将杂质挤出并释放各层之间的局部应变。通过这样做，他们能够获得异常清洁的扭曲扭曲的石墨烯双层薄膜，从而解决了许多脆弱的相互作用效应。

Dmitri Efetov（左）和Luobo Lu（右）将设备保持在设置的前面。

通过使用附近的电容器改变设备内的电荷载流子密度，他们发现材料可以从表现为绝缘体，转变为超导体或什至具有非平凡拓扑结构的奇异轨道磁体进行调整–之前从未观察到的阶段。更令人吃惊的是，该器件以任何超导体所报告的最低载流子密度进入超导状态，这是该领域的一项全新突破。

该研究的第一作者卢晓波对结果感到兴奋，他说：“令我们惊讶的是，我们观察到该系统似乎在许多新的国家之间竞争。通过调整最低的两个平坦莫尔条纹内的载流子密度，该系统交替显示相关状态和超导性，以及奇特的磁性和能带拓扑。我们还注意到，这些状态对器件的质量非常敏感，即对两片石墨烯层之间的扭曲角的准确性和均匀性非常敏感。”

最后但并非最不重要的一点是，在该实验中，研究人员还能够将超导转变温度提高到3开尔文以上，达到创纪录的值，是先前报道的魔角石墨烯器件研究的两倍。正如ICFO Dmitri Efetov教授所说：“我们从未期望仅通过调节电子门就能看到这么多不同的状态。这完全是出乎意料的。我们第一次能够深入研究微观世界并操纵系统以查看发生了什么，从而开始理解并找到可以解释它的模型。”

这种方法的独特之处在于石墨烯（一种通常在强相互作用的电子现象方面较差的材料）现在已成为使人们能够访问这种复杂且异常丰富的物理的工具。到目前为止，还没有任何理论可以在微观层面上解释魔角石墨烯的超导性，但是，有了这一新发现，很显然已经出现了揭示其起源的新机会。

参考：陆小波，彼得·斯特拉诺夫，魏扬，谢明，穆罕默德·阿里·阿米尔，伊普西塔·达斯，卡尔·乌格尔，渡边健二，高谷谷口，张光宇，阿德里安·巴赫托德，“魔术角双层石墨烯中的超导体，轨道磁体和相关态”艾伦·H·麦克唐纳（Allan H.MacDonald）和德米特里·K·埃菲托夫（Dmitri K.Efetov），2019年10月30日，自然。
10.1038 / s41586-019-1695-0