物理学家们研究了“魔角”石墨烯中电子对的流动，这标志着理解这种奇特材料如何表现超导性的重大进展。通过了解电子对在材料中穿越的便利性，研究人员正在揭示其卓越的特性。
超导材料类似于繁忙高速公路上的拼车车道。正如拼车者可以避开繁重的交通，成对的电子可以在这些材料中无摩擦地滑行。
然而，电子对的流动受到多种因素的影响，尤其是这些对在材料中的密度。这一特性被称为“超流体刚度”，它指示电子对电流传输的便捷程度，并且在评估材料的超导性时至关重要。
麻省理工学院和哈佛大学的一个物理学家团队首次成功测量了魔角石墨烯中的超流体刚度。这种独特的材料由两层或多层以特定角度扭转的原子薄石墨烯层组成，展现出一系列非凡的特性，包括不寻常的超导性。
在魔角石墨烯中观察到的超导性对于先进的量子计算技术具有潜力，但其超导性的精确机制仍不清楚。理解材料的超流体刚度对科学家们解码魔角石墨烯中超导性如何工作的目标至关重要。
结果表明，魔角石墨烯中的超导性主要由量子几何决定，这与材料中存在的量子态的概念“形状”相关。
这项研究发表在期刊Nature上，标志着首次直接测量二维材料中的超流体刚度。团队采用了一种新颖的实验方法，也可用于评估其他二维超导体。
“有一系列等待探索的二维超导体；我们才刚刚开始，”麻省理工学院电子研究实验室（RLE）的共同通讯作者和研究科学家乔尔·王（Joel Wang）表示。
来自麻省理工学院的共同作者包括共同通讯作者田中美有子（Miuko Tanaka），以及丁涛（Thao Dinh）、丹尼尔·罗丹-勒格兰（Daniel Rodan-Legrain）、萨梅亚·扎曼（Sameia Zaman）、马克斯·海斯（Max Hays）、巴拉特·卡南（Bharath Kannan）、阿齐扎·阿尔马纳克里（Aziza Almanakly）、大卫·金（David Kim）、贝萨尼·尼杰尔斯基（Bethany Niedzielski）、凯尔·塞尔尼亚克（Kyle Serniak）、莫莉·施瓦茨（Mollie Schwartz）、杰弗里·格罗弗（Jeffrey Grover）、特里·奥兰多（Terry Orlando）、西蒙·古斯塔夫松（Simon Gustavsson）、巴勃罗·哈里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）和威廉·D·奥利弗（William D. Oliver）。他们与日本材料科学国家研究所的渡边健治（Kenji Watanabe）和谷口贵志（Takashi Taniguchi）合作。
魔共振
自2004年发现以来，石墨烯被誉为一种非凡的材料。它由单层碳原子以精确的鸡笼状晶格排列，赋予石墨烯优异的强度、耐用性以及出色的电导和热导能力。
2018年，哈里洛-埃雷罗发现以准确的“魔”角堆叠两层石墨烯会导致魔角扭曲双层石墨烯（MATBG），该材料展示出全新的特性，包括超导性，其中电子成对而不是通常的相斥。这些库珀对可以形成一种超流体，能够轻松且无摩擦地穿过材料。
“尽管库珀对没有电阻，但它们仍然需要某种推动力，比如电场，以开始运动，”王解释道。“超流体刚度指示这些粒子多容易动员，以诱发超导性。”
为了测量超导材料的超流体刚度，科学家们传统上使用一种涉及微波谐振器的技术——一种在特定微波频率下共振的装置，类似于振动的小提琴弦。将超导材料插入谐振器中会改变其谐振频率和运动电感，而这些指标与超流体刚度直接相关。
历史上，这种方法仅适用于较大、较厚的样品。麻省理工学院的团队意识到，在像MATBG这样薄的材料中测量超流体刚度将需要一种新技术。
“与MATBG相比，通常用谐振器检查的超导体可以厚10到100倍，”王说。“我们不确定这样微小的样品是否会产生任何可测量的电感。”
捕获信号
在MATBG中研究超流体刚度的主要挑战在于将这种极其精细的材料无缝地附着到微波谐振器表面。
“为了让这个过程最优，我们需要在两种材料之间建立超导连接，以避免微波信号的降解或其反弹而不是进入我们的目标材料，”王指出。
奥利弗（Will Oliver）的团队在麻省理工学院一直在提升技术，以准确地连接脆弱的二维材料，开发出新颖的量子比特，以供未来量子计算设备使用。在这项新研究中，田中、王及其团队运用这些方法有效地将一小块MATBG连接到铝制微波谐振器上。他们首先使用标准技术组装MATBG，然后将其夹在两层氮化硼绝缘层之间，以保护MATBG的原子结构和特性。
“铝是我们超导量子计算研究中的一种材料，例如用于读取铝量子比特的铝谐振器，因此我们决定将铝用于大部分谐振器，并将一小块MATBG连接到其末端。这证明是有利的。”
“为了与MATBG接触，我们精确地对其进行刻蚀，类似于用锋利的刀切层蛋糕，”王描述道。“我们暴露出新切割的MATBG的一侧，在上面沉积铝——与谐振器中相同的材料——以确保良好的接触并形成铝接头。”
随后，研究人员将MATBG结构的铝接头连接到更大的铝制微波谐振器，向其发送微波信号并测量谐振频率的变化，从而推断出MATBG的运动电感。
在将测得的电感转换为超流体刚度时，研究人员发现其值明显超出传统的超导理论。他们怀疑这一意外发现与MATBG的量子几何有关——电子的量子态之间的关联。
“我们观察到超流体刚度的十倍增长，远超传统期望，温度依赖性与量子几何理论预测一致，”田中评论道。“这提供了有力的证据，指向量子几何在决定这种二维材料超流体刚度中的角色。”
“这项研究示范了如何利用通常用于量子电路的先进量子技术来探索具有强相互作用粒子的凝聚态系统，”哈里洛-埃雷罗补充道。
这项研究得到了美国陆军研究办公室、国家科学基金会、空军科学研究办公室以及国防部研究与工程副部长的资助。
与之相关的另一项研究聚焦于对魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）的研究，该研究由哈佛大学的菲利普·金（Philip Kim）团队和麻省理工学院的哈里洛-埃雷罗团队合作开发，亦在本期Nature上发表。
