研究人員已經產生了新的證據，證明石墨烯在扭曲到一個精確的角度時，可以成為一個超導體，在不損失能量的情況下移動電力。在2023年2月15日發表在《自然》雜誌上的一項研究中，由俄亥俄州立大學的物理學家領導的團隊報告了他們發現量子幾何在允許這種扭曲的石墨烯成為超導體方面所起的關鍵作用。

石墨烯是單層的碳原子，2018年，麻省理工學院的科學家們發現，在適當的條件下，如果將一塊石墨烯鋪在另一塊石墨烯上，並將這兩層石墨烯扭曲到一個特定的角度–1.08度–形成扭曲的雙層石墨烯，石墨烯就可以成為超導體。

自那以後，科學家們一直在研究這種扭曲的雙層石墨烯，並試圖弄清楚這個”神奇的角度”是如何工作的，俄亥俄州立大學物理學教授、《自然》雜誌論文的共同作者Marc Bockrath說。

“傳統的超導理論在這種情況下不起作用，”Bockrath說。”我們做了一系列的實驗，以了解這種材料成為超導體的根源。”

在傳統金屬中，高速電子負責導電性。但是扭曲的雙層石墨烯有一種被稱為”平帶”的電子結構，其中電子的移動速度非常慢–事實上，如果角度正好是神奇的1，其速度接近零。

研究報告的共同作者、俄亥俄州立大學物理學教授Jeanie Lau說，根據傳統的超導理論，移動速度如此緩慢的電子不應該能夠導電。論文的第一作者、Lau研究小組的一名學生Haidong Tian以極高的精度獲得了一個非常接近”魔角”的裝置，按照通常的凝聚態物理學標準，電子幾乎被阻止。但該樣品還是顯示出了超導性。

“這是一個悖論：運動如此緩慢的電子怎麼可能導電？更不用說超導了。”Lau說。

在他們的實驗中，研究小組證明了電子的緩慢速度，並對電子運動進行了比以前更精確的測量。而且他們還發現了使這種石墨烯材料如此特別的第一個線索。

“我們不能用電子的速度來解釋扭曲的雙層石墨烯是如何工作的，”Bockrath說。”相反，我們不得不使用量子幾何。”

就像所有的量子一樣，量子幾何是複雜的，不是直觀的。但這項研究的結果與以下事實有關：電子不僅是一個粒子，也是一個波–因此有波函數。

“平帶中的量子波函數的幾何形狀，加上電子之間的相互作用，導致電流在雙層石墨烯中流動而不耗散，”共同作者、俄亥俄州立大學物理學教授Mohit Randeria說。

“我們發現，傳統的方程式可以解釋我們發現的超導信號的10%。我們的實驗測量表明，量子幾何是使其成為超導體的90%，”Lau說。

這種材料的超導效應只能在極低溫度的實驗中發現。最終的目標是能夠了解導致高溫超導的因素，這在現實世界的應用中可能會很有用，例如電力傳輸和通信。

“這將對社會產生巨大的影響，這是一個漫長的過程，但這項研究肯定會使我們在理解它如何發生方面取得進展。”