超导体

在这项研究中，研究团队利用栅极电压实时控制双层石墨烯的二次能量分散以及超导相干长度。他们利用之前工作中开发的隧道光谱法，实时观测了不同栅极电压下安德烈耶夫束缚态的变化，并证实实验结果与理论预测相吻合。

在这项工作中，研究人员研究了扭曲双层石墨烯超导性的原因。目前的超导理论，即Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论，无法解释在远高于绝对零度的温度下超导的材料。这是物理学中一个巨大的未解难题。扭曲双层石墨烯具有超导性，其电子速度非常慢，这表明科学家需要修改 BCS 方程。方程必须包括量子电子所在空间的几何形状。这一发现为寻找高温超导材料提供了新方向。这些超导体将实现重要的实际应用，例如几乎不损失电能的输电线。

在博士学习期间，她通过设计具有针对性相互作用和拓扑结构的新材料，研究了新型超导电性。特别是，她利用石墨烯–原子般薄的二维石墨层（与铅笔芯相同的材料）–将其变成了一种 “神奇 “的材料。这种所谓的魔角扭曲三层石墨烯提供了一种超强的超导形式，在高磁场下也能保持稳定。后来，她发现了这些材料的整个 “神奇家族”，阐明了超导和相互作用驱动现象背后的关键机制。这些成果为研究二维突发现象提供了一个新的平台，可促进电子学和量子技术的创新。

尽管TBG中奇异超导性的起源仍然是一个有争议的话题，但普遍认为平带效应在其中起着关键作用。然而，由于TBG在魔角处并非稳定构型，实验上常常难以精确制备出魔角石墨烯。在该项研究中，研究人员提出了一种新方法，即利用手性微腔中的量子涨落来调控TBG的能带，使得TBG即便在魔角之外也能形成平带。

其7月25日的专利文件称，“本发明提供了一类第II类超导体，包括至少在一个表面用脂肪烃或其他合适的活化材料（即在其结构中不包含π键的非极性液体，如真空泵油、由甲基硅酮组成的硅油，或由包含反应性官能团的链的一端与基底结合的脂肪烃链）润湿的穿孔石墨烯。本发明的超导体在远高于室温的温度（即临界温度）下仍保持超导性，无需保持低温，并可在强磁场下工作。”

研究人员表示，平带中量子波函数的几何形状，加上电子之间的相互作用，导致了双层石墨烯中电子的流动而没有耗散。常规方程仅能解释其发现的一成超导信号。实验测量表明，具有偏转角度的双层石墨烯成为超导体的九成原因在于量子几何。这种材料的超导效应只有在极低温度下的实验中才能发现。

该项目是开拓者计划的一个很好的例子，该计划为基于高风险/高收益科学-技术突破性跨学科研究的项目提供资金。Graphenea的主要作用是种植大于80微米的石墨烯单晶，这将为新材料提供极其高质量的基础。

英国《新科学家》周刊12月3日刊登题为《隐藏在超薄材料中的奇特量子效应曝光》的封面文章，作者是菲利普·鲍尔。全文摘编如下：

该论文第一作者张怡然，是致远学院2018届（首届致远荣誉计划）物理学方向毕业生，目前在加州理工学院攻读博士学位。他在本次研究中主要负责多层魔角石墨烯样品的制备，极低温强磁场量子输运测量，数据分析以及论文撰写。该研究首次在多层魔角石墨烯中的超导观测极大地拓展了石墨烯的强关联现象，其中的超导电性与对称破缺相的紧密联系为日后非常规超导的实验与理论发展奠定了坚实的基础。