科学家发现了一种控制超导性的惊人新方法——这是一种电流以零能量损耗流动的神秘现象。通过将扭转的石墨烯层与一种合成金刚石材料相结合，研究人员能够通过调整电子与其周围环境的相互作用方式，有效地开启和关闭超导性。更为引人入胜的是，该材料的表现违背了常规超导体的规律，预示着一种全新的物理学。
超导性允许某些材料在冷却至临界温度以下时以零能量损耗传输电流。尽管科学家研究这一现象已有数十年，但其许多潜在机制仍知之甚少。更深入地了解超导性的形成机制有助于研究人员设计更好的材料，并改进未来的电子和量子器件。
转角石墨烯表现出异常行为
这项研究由俄亥俄州立大学物理学教授刘春宁领导，重点关注一种被称为转角双层石墨烯的特殊工程材料。该材料是通过堆叠两层碳片并将其中一层相对于另一层稍微旋转而制成的。
研究团队将这种石墨烯结构与钛酸锶（一种合成的类金刚石材料）结合在一起。这种装置使科学家能够观察并影响电子在系统内部的相互作用方式。
电子相互作用在决定磁性和化学键等性质方面起着主要作用。在超导体中，电子以一种特殊的方式配对，使电流能够无阻力地流动。通过调节材料周围的环境，团队发现他们可以增强或减弱这些相互作用，并有效地开启或关闭超导性。
“电子通常相互排斥，但在超导体中它们会形成配对；这种配对的形成是超导体能够无损耗导电的关键，”刘说，“我们的证据表明，电子本身——取决于它们对近邻环境的敏感性——对材料变化有着意想不到的重要性。”
发现挑战传统超导体理论
研究人员对其中一个发现感到惊讶。当他们增加材料内部的某些调整时，超导性反而变弱了，而不是变强。
这种行为与科学家在常规超导体中通常观察到的现象不同，在常规超导体中，减少电子间的排斥力通常会增强超导性。这一意想不到的结果突显了像转角双层石墨烯这样的特殊材料，其行为方式可能与传统超导体截然不同。
“如果你能无能量损耗地传输电力，这对我们日常生活中使用的技术将具有巨大的意义，”刘说，“尽管仍有一些基本问题需要解答，但这项工作基本上为一种新型的物理机制提供了一条路径。”
这一发现还可能帮助研究人员更接近该领域最大的目标之一：开发能在更高温度下、甚至可能在室温下工作的超导体。实现这一里程碑可能会极大地重塑电子、通信系统和电力传输技术。
更高效电子器件的潜力
这些发表在《自然-物理》上的发现表明，有一种更简单的方法可以控制产生超导性所需的条件。
许多高温超导体目前面临着限制其性能的局限性。研究人员认为，调控这些材料的周围环境可能提供一种新途径，以提高其性能并增加未来电子器件的效率。
俄亥俄州立大学物理学博士生、第一作者高雪石表示，团队预计这些结果将对该领域许多不同的实验和材料系统有用。
“我们使用的转角双层石墨烯系统中的超导机制目前尚不明确，”高说，“但我们的结果可以提供启发，帮助人们在将其应用于未来工作时更好地理解这一概念。”
研究人员计划进一步实验
科学家们提醒说，这项工作只是理解更广泛复杂电子相互作用迈出的第一步。未来的研究将探索其他相互作用类型，并调查这项研究提出的其他物理学问题。
“我们展示了以前未曾展示过的能力，所以该领域的许多人对这一结果感到非常兴奋，”刘说。
来自俄亥俄州立大学的共同作者还包括Aatmaj Rajesh、Emilio Codecido、Daria Sharifi、张振能、刘有为和Marc Bockrath。合作者还包括来自西班牙IMDEA纳米科学研究所的Alejandro Jimeno-Pozo、Pierre Pantaleon和Paco Guinea，以及来自日本国立材料科学研究所的渡边健二和谷口尚。
该研究得到了能源部和国家科学基金会的支持。