2018年，在两个单原子厚度的石墨烯层中，以1.1度的精确角度(被称为“魔术”角扭曲双层石墨烯层)堆叠，发现了超导性，这让科学界大吃一惊。自从这一发现以来，物理学家们一直在问，是否可以用现有的理论来理解神奇的石墨烯的超导性，或者是否需要从根本上的新方法——例如，为了理解在高温下具有超导电性的神秘陶瓷化合物而进行的研究。现在，正如《自然》杂志报道的那样，普林斯顿大学的研究人员通过展示神奇石墨烯的超导性和高温超导体的超导性之间惊人的相似性，解决了这个争论。神奇的石墨烯可能是揭开包括高温超导在内的超导新机制的钥匙。
阿里·亚兹达尼，1909届物理学教授，普林斯顿大学复杂材料中心主任，领导了这项研究。多年来，他和他的团队研究了许多不同类型的超导体，最近他们将注意力转向了神奇的双层石墨烯。
Yazdani说:“有些人认为，神奇双层石墨烯实际上是一种伪装在特殊材料中的普通超导体，但当我们在显微镜下观察它时，它具有高温铜超导体的许多特征。这是一个déjà似曾相识的时刻。”
超导是自然界最有趣的现象之一。这是一种电子自由流动而没有任何阻力的状态。电子是带负电荷的亚原子粒子;它们对我们的生活方式至关重要，因为它们为我们日常的电子产品提供动力。在正常情况下，电子的行为是不稳定的，跳跃和相互碰撞的方式，最终是低效的和浪费能量。
但在超导状态下，电子突然成对，开始像波一样同步流动。在这种状态下，电子不仅不会失去能量，而且还显示出许多新的量子性质。这些特性使得许多实际应用成为可能，包括核磁共振磁体和粒子加速器，以及用于制造量子计算机的量子比特。超导性最初是在极低温下在铝和铌等元素中发现的。近年来，人们发现它在非常高的压力下接近室温，也在略高于陶瓷化合物中液氮沸点(77开尔文)的温度下存在。
但并不是所有的超导体都是一样的。
由纯元素如铝构成的超导体是研究人员所说的传统导体。超导状态——电子对在一起——可以用所谓的Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理论来解释。这是自20世纪50年代以来超导性的标准描述。但从20世纪80年代末开始，人们发现了不符合BCS理论的新型超导体。在这些“非常规”超导体中，最引人注目的是陶瓷铜氧化物(称为铜酸盐)，它在过去三十年里一直是个谜。
麻省理工学院(MIT)的Pablo Jarillo-Herrero和他的团队最初发现了神奇双层石墨烯的超导性，表明这种材料一开始是绝缘体，但随着少量载流子的加入，它就变成了超导。从绝缘体而不是金属中出现超导体，是许多非传统超导体的特征之一，其中最著名的就是铜质超导体。
“他们怀疑超导性可能是非常规的，就像铜一样，但不幸的是，他们没有任何具体的超导状态的实验测量来支持这一结论，”明哲吴(Myungchul Oh)说，他是博士后研究助理，也是这篇论文的主要合著者之一。
为了研究神奇双层石墨烯的超导特性，Oh和他的同事使用扫描隧道显微镜(STM)来观察极其微小而复杂的电子世界。这种设备依赖于一种叫做“量子隧穿”的新现象，电子在显微镜尖锐的金属尖端和样品之间汇集。显微镜利用这种隧穿电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界。
“STM是做这类实验的完美工具，”这篇论文的主要合著者之一、物理学研究生凯文·纳科尔斯(Kevin Nuckolls)说。“STM可以做很多不同的测量。它可以访问其他实验技术通常无法访问的物理变量。”
当研究小组分析数据时，他们注意到两个突出的主要特征，或“特征”，提示他们神奇的双层石墨烯样品显示出非常规的超导性。第一个特征是，超导的成对电子有一个有限的角动量，这种行为类似于20年前在高温铜中发现的行为。在传统超导体中，当电子对形成时，它们没有净角动量，这在某种程度上类似于氢原子s轨道上的电子与氢原子的结合。
STM的工作原理是使电子在样品内外隧穿。在超导体中，所有的电子都是成对的，样品和STM尖端之间的电流只有在超导体对被分开时才有可能。“将这一对分开需要能量，而电流的能量依赖于配对的性质。在神奇的石墨烯中，我们发现了有限动量配对所预期的能量依赖关系，”Yazdani说。“这一发现强烈限制了魔幻石墨烯中配对的微观机制。”
普林斯顿大学的研究小组还发现，当通过提高温度或施加磁场来淬灭超导状态时，神奇双层石墨烯是如何表现的。在传统的超导体中，材料的行为与普通金属在超导性被杀死时的行为是一样的——电子解对。然而，在非常规超导体中，电子似乎保留了一些相关性，即使在不超导的情况下，这种情况表明，当有一个大致的阈值能量从样品中移除电子。物理学家将这种阈值能量称为“伪间隙”，这是许多非传统超导体在非超导状态下的一种行为。它的起源二十多年来一直是个谜。
Nuckolls说:“一种可能性是，即使样品不是超导的，电子仍然在某种程度上成对。”“这种赝隙态就像一个失效的超导体。”
在《自然》杂志的论文中提到的另一种可能性是，在超导发生之前，必须先形成某种其他形式的集体电子态，而这种形式负责赝隙。
Yazdani说:“无论如何，赝赝体的实验特征与铜斑的相似性以及有限动量配对都不可能是一个巧合。”“这些问题看起来非常相关。”
吴说，未来的研究将涉及试图理解是什么导致电子在非常规超导中成对——这一现象一直困扰着物理学家。BCS理论依赖于电子之间的弱相互作用，它们的配对之所以成为可能，是因为它们与离子的潜在振动相互作用。然而，非常规超导体中的电子配对通常比简单金属中的要强得多，但其原因——将它们结合在一起的“胶水”——目前尚不清楚。
“我希望我们的研究将有助于物理学社区更好地理解非常规超导的力学，”吴说。“我们进一步希望，我们的研究将激励实验物理学家共同努力，揭示这一现象的本质。”
