50倍量子性能突破！麻省理工学院在扭曲三层石墨烯发现高动能电感和量子相干性。

当扭曲的三层石墨烯作为正常金属（S-N-S结）时，临界电流振荡呈正弦波形。但当扭曲的三层石墨烯成为本征超导体（S-S'-S结）时，振荡变得类似于锯齿波形。

超导性是一种在某些材料中观察到的有利物理现象，其特征是在特定临界温度以下呈现零电阻。这一现象被认为是由于所谓的库珀对（即电子对）的形成而产生的。

已知的超导类型有两种：常规超导和非常规超导。在常规超导体中，库珀对的形成是由电子与声子（即晶格中的振动）之间的相互作用介导的，正如巴丁-库珀-施里弗 (BCS) 理论所解释的那样。

非常规超导体则是一类不依赖电子-声子相互作用而展现超导性的材料。尽管过去许多研究试图揭示非常规超导性的机制，但其背后的物理机制仍知之甚少。

麻省理工学院（MIT）、哈佛大学和日本材料科学国家研究所的研究人员最近致力于深入理解扭曲石墨烯莫尔异质结构中观察到的非常规超导性背后的机制，该材料由以约1.1°的角度扭曲堆叠的石墨烯层组成。

他们发表在《物理评论快报》上的论文，揭示了扭曲三层石墨烯中存在一个较大且可调的动力学电感（即由载流子惯性引起的对电流变化的阻力），为莫尔材料中超导性的基本机制提供了新的见解。

“2018年，帕布罗·哈里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）及其团队公布了一项轰动性的发现，这在当时引起了轰动，”该论文的共同资深作者帕里托什·卡纳塔克（Paritosh Karnatak）在采访时表示。“他们证明，当两层石墨烯以特定的小角度相互扭曲时，在一定的掺杂范围内（载流子数密度），会展现出超导性及其他意想不到的关联态。

“这一发现立即引起了我们的注意，因为我们的研究团队多年来一直致力于石墨烯单层和双层堆叠的研究，并且在超导物理学以及利用此类材料制备超导器件方面积累了丰富经验。”

在了解了帕布罗·哈里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）及其同事的研究后，研究人员着手开展自己的研究，重点关注扭曲石墨烯莫尔材料的超导性。他们特别对表明这些材料是非传统超导体且在某些方面类似于高温超导体（即在远高于传统超导理论预测温度下表现出零电阻的材料）的结果感到兴趣。

“在扭曲石墨烯超导体中，只需调节一个旋钮即可改变掺杂状态，实际上就是通过改变栅极电压来实现，而在固态高温超导体中，这是不可能的，因为每次需要改变掺杂状态时都必须生长新的晶体，”卡纳塔克说。“因此，我们的主要目标是看看是否能在魔角扭曲石墨烯堆栈中实现超导接头（通常称为约瑟夫森结），并通过对接头的表征揭示这种超导态的一些性质。”

作为研究的一部分，卡纳塔克及其同事首次在魔角扭曲石墨烯中实现了超导结。这些结是两种超导材料（即导线）连接的区域，两者之间仅由一层薄屏障隔开。

“我们使用了由传统超导材料制成的超导引线，”论文的共同资深作者克里斯蒂安·施耐德伯格（Christian Schönenberger）解释道。“两条导线被缩小到一微米以下，且彼此间隔的距离也非常短，通常也在微米或亚微米尺度。在两个导线的‘尖端’之间，放置着MATG堆栈。该堆栈的掺杂程度可通过另一个靠近结点的栅极电极进行控制。”

如果超导接头中的MATG堆栈不具备超导性，而是由正常金属构成，则该装置被称为S-N-S结。在此背景下，“S”代表“超导体”，而“N”代表“普通金属”。

“符号S-N-S中的两个S代表连接到N部分（即正常金属部分）的两个导线，”施耐德伯格说道。“另一方面，如果堆栈变成超导态，我们称该接头为弱链接，并用S-S'-S表示，其中S'指超导MATG堆栈。

“通过测量超电流与（相位）偏压的关系，可以获得结的特征属性，而最重要的是，S-N-S结和S-S'-S结显示出不同的超电流依赖性。在我们的实验中，我们通过展示当结进入由温度和掺杂状态控制的相空间时，含有MATG的结会转变为弱链接，即S-S'-S装置，此时电阻降至较小值，表明处于超导状态。”

研究人员报告称，在这些接头处观察到低电阻，暗示了超导性的存在。然而，低电阻本身并不能证明超导性，因此研究团队还必须证明他们的材料能够排斥磁场。

“这就是我们所证明的，”施耐德伯格说。“弱链接特性表明，该材料表现为电感器而非电阻器，而我们在实验中推导出的正是其电阻值。”

最终，卡纳塔克、施耐德伯格及其团队成功量化了魔角扭曲三层石墨烯的动态电感，即由超导态中成对电子的惯性产生的电感。值得注意的是，其测量值达到已知高动态电感超导体的近50倍。

这是一个极具前景的结果，因为高动态电感超导体通常有利于量子技术的发展。先前研究表明，它们特别适合于推进单光子探测器、超导量子比特平台和量子传感系统。

“考虑到超导体的栅极可调性，我们研究了单个器件中动能电感与临界电流（超导体转变为正常导体的最大电流值）之间的反比关系，”施耐德伯格说。

“动能电感与临界电流之间的反比关系还揭示了超导体的相干长度——大致来说，这是负责超导状态的电子对的‘尺寸’。我们使用不同的实验方法，在这项研究中测量的相干长度比先前研究中报告的更大。”

尽管非传统超导体中“束缚”电子的机制尚不明确，但这项最新研究可能有助于揭示这些机制。具体而言，它引入了量化超导体中动能电感并测量其相干长度的实验方法。

“我们相信，我们的研究将为理解这些材料中的超导性提供一些线索，并可能为寻找其他新型超导体奠定基础，”施耐德伯格说。

卡纳塔克、施耐德伯格及其同事的最新研究成果有望激发进一步研究，以评估莫尔超导体中的动能电感和量子相干性。研究人员目前计划继续探索扭曲三层石墨烯及其他扭曲石墨烯莫尔异质结构中的超导性基础机制。

“尽管我们证明该材料具有较大的动能电感值，但其在量子技术中的应用潜力取决于其在高频（微波）下的特性，”卡纳塔克表示。“我们正通过构建高频超导电路开展相关实验。”

研究人员所研究的材料在自然界中并不存在，需要在实验室环境中精心合成，因此可能不适合大规模开发量子技术。由于该材料容易恢复到其自然状态且易于无序化，最终材料科学家需要寻找其他易于获取的石墨烯基材料，这些材料应具备类似特性。

“在这些‘扭曲’材料中发现超导性促使研究人员更加关注其他天然存在的石墨材料，”卡纳塔克补充道，“事实上，超导性最近也在许多其他石墨基材料中被发现，这些材料已被研究近二十年。这些材料可能更适合基础研究，也可能适用于实际应用。我们热衷于利用我们开发的实验工具研究这些材料。”