近几十年来，科学家们在探索和解释高温超导体(high- tc)方面进行了大量的研究，高温超导体是一类在高温下表现为零电阻的材料。现在，来自美国、德国和日本的一组科学家在《自然》上解释了扭曲双层石墨烯中的电子结构如何影响这些系统中绝缘状态的出现，而绝缘状态是高温材料超导性的前身。找到一种能在室温下进行超导的材料，将引发一场技术革命，缓解能源危机(目前大多数能源都是在从生产到使用的过程中流失)。
并将计算性能提升到一个全新的水平，然而，尽管在理解这些系统方面取得了进展，完整的理论描述仍然是难以捉摸，这使得寻找室温超导主要是偶然的。在此前的一项重大科学突破中，双绞层石墨烯(TBLG)显示出类似于某一类高温超导材料（即所谓的高温铜酸盐）的物质相。这代表了一种通过更清洁和更可控的实验设置新方法。来自马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)、柏林自由大学(均在德国)、哥伦比亚大学
熨斗研究所计算量子物理中心和日本国家材料科学研究所的科学家们将重点放在了TBLG绝缘状态上。这种材料由两层原子厚度的石墨烯组成，以非常微小的角度相互堆叠。在这种结构中，绝缘状态先于高温超导相。因此，更好地理解这一阶段以及导致这一阶段的原因对于控制任务型分组至关重要。科学家们使用扫描隧道显微镜和光谱学(STM/STS)对样品进行了研究。用这种显微技术，可以一个原子一个原子地检查导电表面。采用开创性“撕裂叠加”方法，将两层原子厚度的石墨烯叠加在一起，并轻轻旋转。
然后，研究小组直接绘制出了这种材料的原子尺度结构和电子特性，接近1.1°左右的“魔角”。发表在《自然》(Nature)上的这些发现，为研究TBLG中超导现象的产生提供了新线索。研究小组观察到，在超导状态之前的绝缘状态，出现在系统充满电子的特定水平。这使得科学家们能够估计这些系统中电子之间相互作用的强度和性质——这是向描述迈出的关键一步。结果表明，局域态密度的两个不同范霍夫奇点(vHs)出现在40-57 meV的掺杂依赖分离魔角附近。
这是第一次清楚地表明vHs的分离比之前认为的要大得多，此外该团队清楚地表明，当系统掺杂近半莫尔带填充时，vHs分裂成两个峰值。这种掺杂依赖的分裂是由相关诱导间隙来解释，这意味着在TBLG中，电子诱导的相互作用起着重要作用。库仑相互作用与每个vHs的带宽之比，比vHs的分离更能决定魔角。这表明相邻的超导态是由电子-电子相互作用的协同配对机制驱动的。此外，STS结果表明了一定程度的电子向列相性(底层晶格旋转对称性的自发破坏)，很像在超导态附近铜中观察到的情况。
通过这项研究，该团队向证明高tc铜酸盐和TBLG材料的物理等效性迈出了关键一步。因此，本研究中通过TBLG获得的见解将进一步理解铜酸盐中高温超导性，并有助于更好地分析这些迷人系统的详细工作原理。研究团队对运输过程中超导和绝缘状态性质所做的研究，将使研究人员能够对理论进行基准测试，并有望最终将TBLG理解为更完整地描述高温铜酸盐的踏脚石。在未来，这将为在这些和类似系统中提高超导温度更系统的方法铺平道路。
博科园｜研究/来自：马克斯普朗克物质结构和动力学研究所
参考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1431-9
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