如何增强双层石墨烯的超导性

近十年前，科学家宣布发现了一种新型超薄材料，可以与石墨烯的特殊光学和电气特性竞争，石墨烯是一种在2004年发现的碳，让科学家和工程师都着迷。

加州理工学院的工程师已经证明，这些非凡的材料之一，二烯化钨不仅是竞争对手，也是石墨烯的补充。该团队通过将二烯化钨纳入石墨烯，成功地改善了石墨烯的电特性。通过这样做，我们可以提高我们对超导性的理解，为开发更耐用和高度可调的石墨烯超导体打开大门。

要理解这种发展的重要性，了解什么是石墨烯以及为什么它是独一无二的，是有益的。石墨烯是一种碳，由一层原子组成，晶格排列，类似于蜂窝。根据这些薄片如何对齐，当其中两张或多张叠在一起时，由此产生的材料可能具有截然不同的电气特性。例如，由此产生的两片石墨烯堆栈可以是以零电阻导电的超导体，也可以是当第二片石墨烯相对于其铺设的板材仅被“扭曲”1.05°（称为“魔力角”）时，完全阻挡电流失的绝缘体。外部电场可用于在这些截然不同的状态之间变化。

有趣的是，2022年的研究表明，超导性可能存在于不扭曲的双层石墨烯中。与扭曲的双层石墨烯相比，大量生产双层石墨烯更容易。尽管如此，它们更脆弱，更难调谐，并且只有在大约低100倍的温度下才能达到超导状态（这种温度通常只能通过使用液氦来实现）。使用二烯酸钨，加州理工学院的新研究表明了一种显著提高这种脆弱的超导性的方法。应用物理学和材料科学助理教授Stevan Nadj-Perge和他的团队发现，在这项新研究中添加了三烯酰胺，大大提高了未扭曲的石墨烯的超导性，该研究于2023年1月11日发表在《自然》杂志上。值得注意的是，超导临界温度或材料可以超导的最高温度增加了10倍。

异丙烯化钨通过靠近它，将“魔角”扭转的优势赋予更容易大规模生产的未扭曲石墨烯。这一发现为超导性的性质提供了新的见解，并为提高其他相关石墨烯基材料中的超导性提供了想法。

Nadj-Perge补充说：“高水平的可调性为未来的应用程序打开了可能性。“与扭曲的石墨烯超导体相比，未扭曲的石墨烯超导体的主要优势之一是，它们在紊乱和缺陷方面要干净得多，在技术上更容易制造。这意味着这些结构可能更适合需要对同一设备架构进行许多相同副本的应用程序。”

该研究的共同作者包括Jason Alicea、William K。Davis理论物理学教授；加州理工学院研究生Yiran Zhang，主要作者和Robert Polski（博士’22岁）；Alex Thomson前加州理工学院博士后，现任加州大学戴维斯分校助理教授；Étienne Lantagne Hurtubise，加州理工学院理论物理博士后研究助理Étienne Lantagne Hurtubise；前加州理工学院博士后，现任佛罗里达州立大学助理教授；Haoxin Zhou Haoxin，应用物理学和材料科学研究所的博士后学者研究助理；以及日本国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

国家科学基金会、海军研究办公室、陆军研究办公室、能源部、卡夫利纳米科学研究所、加州理工学院量子信息和物质研究所、加州理工学院沃尔特·伯克理论物理研究所、斯隆基金会以及戈登和贝蒂·摩尔基金会为这项研究提供了资金。

编辑：黄飞