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超导体是在几乎没有任何电阻的情况下传导电流的材料。这一特性使它们在各种应用中特别有吸引力,其中包括无损耗的电力电缆、电动机和发电机以及可用于核磁共振成像和磁悬浮列车的强大电磁铁。

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现在,来自名古屋大学的研究人员已经详细地展示了一类新超导材料–魔角扭曲双层石墨烯–的超导特性。

 

一种材料要表现为超导体需要低温条件。事实上,大多数材料只有在极低的温度下才会进入超导阶段,比如-270°C,这比在太空中观察到的温度还要低。这意味着需要高度的冷却。然而由于这种大量的冷却需要高度昂贵和专门的液氦冷却设备,所以它的实际用途受到了严重限制。这就是超导技术仍处于早期阶段的主要原因。

高温超导体(HTS)如一些铁基和铜基超导体在-200℃以上达到超导阶段,这个温度通过用液氮冷却设备更容易达到,液氮可以将系统冷却到-195.8℃。然而,到目前为止,HTS的工业和商业应用还非常有限。目前已知的和可用的HTS材料都是脆性的陶瓷材料,它们无法弯曲成可用的形状如电线。此外,它们的生产难度和成本也是众所周知的。这使得对新型超导材料的探索变得至关重要,这也是名古屋大学物理系的Hiroshi Kontani教授和Seiichiro Onari博士等物理学家的主要研究重点。

最近,一种新材料被提议作为潜在的超导体,其称为魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)。在MATBG中,双层石墨烯本质上是排列在蜂窝状晶格中的单一二维碳层,其以一个神奇的角度(约1.1度)偏移,这带来了旋转对称性的破坏并形成一种被称为SU(4)的高阶对称性。

随着温度的变化,系统经历了量子波动,就像原子结构中的水波纹一样,这引发了电子结构的新自发变化和对称性的降低。这种旋转对称性的破坏被称为向列状态,并跟其他材料的超导特性密切相关。

Kontani教授和Onari博士在他们最近发表在《Physical Review Letters》上的工作中通过使用理论方法更好地理解和强调了MATBG中这种向列态的来源。

研究人员发现,MATBG中的向列秩序源于一个新的自由度的波动之间的干扰,该自由度结合了谷底自由度和自旋自由度,这一点在传统的强相关电子系统中还没有被报道过。扭曲双层石墨烯的超导转变温度非常低,为1K(-272℃),但向列状态设法将其提高了好几度。

研究结果还表明,尽管MATBG在某些方面的表现跟铁基高温超导体相似,但它也有一些令人相当兴奋的独特性质,如净电荷环流在谷底极化状态下产生磁场,而环流在向列状态下会被每个谷底抵消。此外,石墨烯的可塑性还可以在增加这些超导体的实际应用中发挥重要作用。

随着对超导基本机制的更好理解,科学和技术离真正的超导未来将变得越来越近。

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