石墨烯超导可控性欠佳？换个思路多‘叠’几层或许可行

超导石墨烯为何如此神奇

2018年，中国名为曹原的“天才少年”，在魔角扭曲双层石墨烯里头，发现了超导现象，当即在全球科学界引发强烈震动。该发现有着特定意义，那就是，石墨烯自身原本是不具备导电超导特性的，可是当两层平行的石墨烯堆叠形成大约1.1°这样一个微妙角度的时候，电子的状态被彻彻底底地改变了，整个体系能够从绝缘体转变为导体，甚至还能变成超导体。这种情况为超导材料的实际应用开启了一扇全新的大门。

于永强副教授作出解释，单层石墨烯属于零带隙高迁移率半导体，其具有极高的导电性，还有量子霍尔效应，然而它本身并不具备超导性。科学家借助人工层状堆垛，并且改变层间扭曲角度，能够调控套叠石墨烯体系的微观电子结构，进而激发超导潜能。魔角扭曲石墨烯恰是在原子尺度制造出莫尔超晶格，致使电子之间产生强相互作用。

晶体菱面三层石墨烯的新发现

今年年初的时候，曹原是以共同第一作者的身份，在《自然》这本期刊上发表了一篇新论文，该论文指出，在由三层石墨烯所组成的那种“三明治”结构里，也是能够观察到超导性的；其中间一层的石墨烯，相对于外层而言扭转了大约1.57°，在极低的温度也就是0.1K的情况下，该体系达成了超导特性；于永强表明，这种三层结构所具备的超导性，相较于双层的而言更加稳定，为研究电子间的关联效应提供了更为理想的一个平台。

存在这样一些研究者，他们进一步在菱面三层石墨烯当中发现了“半金属”以及“四分之一金属”的新电子态。经由电容以及电子迁移测量，他们观察到电子系统在磁场之下呈现出不同的量子振荡简并性，这些简并性分别对应着自旋和谷简并的正常金属、自旋极化的半金属，还有自旋和谷极化的四分之一金属。这揭示出了石墨烯体系中磁性本质的流动性。

魔角扭曲与菱面结构的区别

魔角扭曲石墨烯经由简单的1.1°旋转，便可达成从绝缘体至超导体的延续转变。于永强表明，在门电压调控之时，体系载流子浓度能够连续变动，在临界浓度以及约1.7K的温度下，电子间显露出强相互作用，进而获取超导特性。这种调控方式极为精准，给超导研究供给了极具可操作性的实验系统。

与之相较，菱面三层石墨烯呈现出更为纷繁复杂丰富多样的电子态多样性，它的魔角大约为1.57°，其超导特性与莫尔单元之中的对称性破缺紧密相关联，于永强着重指出，菱面结构具备更优良的电子结构可调控性，不但能够使超导得以实现，而且还可以驱动铁磁极化，从而形成半金属以及四分之一金属态，为多体理论验证搭建起了理想平台。

石墨烯超导的实际应用前景

有着优异光学特性、电学特性以及力学特性的石墨烯，于材料学领域、微纳加工领域、能源领域、生物医学领域以及药物传递领域，被视作革命性材料。超导石墨烯的现身，使得此类应用前景更为广阔。设想一下呀，倘若室温超导石墨烯得以实现，那么电力传输便不会有损耗，电子设备的功耗会急剧减小，医疗成像设备的精度会大幅提高。

然而，当前所发觉的超导现象均是在极低温度的状况下出现的，像0.1K或者1.7K这样的温度，距离实际应用存在着一定的差距。不过科学家正在借助优化层数、扭曲角度以及掺杂等方式，逐步提升超导转变的温度。曹原团队的研究显示，三层石墨烯的稳定性要比双层更为出色，这意味着多层结构或许会更加接近于实用化。

中国科技人才的关键贡献

曹原，是1996年出生的那一位，毕业于中国科学技术大学，被称作“天才少年”。2018年的时候，年仅22岁的他，在魔角扭曲石墨烯里首次发现超导效应，此事轰动了全球。从那以后，他持续在该领域深入钻研，今年又以论文的形式对三层石墨烯超导研究起到推动作用，彰显出持续不断的创新能力。中国年轻科学家于基础科学前沿所取得的突破，着实令人振奋。

合肥工业大学的于永强副教授所做出的解读，使得公众能够对这些前沿发现予以理解，他明确指出，石墨烯超导的研究不但开创了凝聚态物理全新的领域，而且还为中国在新型超导材料领域争得了国际话语权，从理论预测再到实验验证，中国的科研团队正直直地站立在世界舞台的中央。

未来研究方向和挑战

当下研究的重点在于怎样在更高的温度情形下达成石墨烯超导，以及怎样去控制各类电子态之间的转变。于永强宣称，在菱面三层石墨烯当中所发现的铁磁极化现象，暗示着未来有可能经由调控电子自旋以及谷自由度，研发出全新的量子器件。磁性本质所具备的流动性，同样为理解高温超导机制提供了新的线索。

还有一个挑战在于，要进行规模化地制备具备高质量的多层石墨烯，在实验室当中的原子级堆垛工艺，需要作推广处理至工业级生产，科学家们正处于探索更为稳定的层间耦合以及扭曲角控制技术的进程中，目的是能够把这种神奇的材料从实验室带入生产线。要是成功达成的话，超导石墨烯芯片、无损耗输电线路都存在成为现实的可能性。

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