近期，德克萨斯大学和俄亥俄州立大学的合作研究团队实验证明，在石墨烯平带超导体中，起作用的不是传统的低温超导体微观理论（BCS理论），而是量子几何。这一发现可能为超导体材料的设计提供新机制。该研究结果于2月15日发表于《Nature》（“Evidence for Dirac flat band superconductivity enabled by quantum geometry”）。

石墨烯是目前世界上最薄，最坚硬以及电阻率最低的纳米材料。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家第一次成功从石墨中分离出石墨烯并因此获得2010年诺贝尔物理学奖。

2018年，麻省理工学院科学家发现，在特定条件下，将一层石墨烯放到另一层石墨烯上并将二者扭转特定角度（1.08°），可以形成超导体双层石墨烯。从这以后，科学家们一直在研究这种双层石墨烯，并试图弄清楚这一转动角度的内在原理。

图片来源：俄亥俄州立大学，石墨烯电超导体

通常，由于库仑力的存在，电子间相互排斥。但电子间还存在以晶格振动为媒介的交互作用，使两个电子相互吸引，形成库伯对。在很低的温度下，库伯对的结合能将高于晶格原子震动的能量，使得电子不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成超导现象，即BCS理论。

然而，在扭曲的双层石墨烯超导体具有一种被称为“平带”的电子结构，电子在其中移动的非常缓慢，根据BCS理论，如此缓慢移动的电子不应该能够导电。

在双层石墨烯结构中，实验团队将基础参数设置为Θ=〖1.10〗^°，B=0.2T，T=0.3K。如下图所示，图c为不同载流子（电子）密度n下，电阻dV/dI与电流密度J的关系；图h为不同温度T下，电阻dV/dI与电流密度J的关系。如实验结果所示，实验团队做出了一组电子几乎不再移动的样品（J≈0），然而仍然表现出了超导性（dV/dI≈0）。“这是一个悖论：运动如此缓慢的电子怎么会导电，更不用说超导了？这是非常重要的发现。”该论文的第一作者Liu说道。

实验结果节选

“我们不能使用电子的速度来解释扭曲双层石墨烯是如何工作的，”论文协作者Bockrath说，“相反，我们不得不使用量子几何。”与一切量子事物一样，量子几何是复杂且不直观的。但这项研究的结果与一个事实有关，即电子不仅是一个粒子，而且还是一个波——因此具有波函数。随后的实验测量和理论分析表明，对超导性的主要贡献来自量子几何，它类似于普通几何，但起源于量子多体物理学。

“考虑一下我们正常的三维空间中的气球。它的所有几何特性都可以通过其表面上定义的度量和曲率来确定，”论文作者之一Patrick Cheung说，“量子电子所在的空间也是如此，在这个所谓的希尔伯特空间中，量子几何可以产生令人难以置信的材料特性和应用。”

由量子几何实现的超导性是一种非常规机制。新发现可以作为发现和设计新超导体的基础，这些超导体可以在比现有超导体更高的温度下工作——在环境压力下工作温度低于 150 开尔文（-123 摄氏度或-190 华氏度）。

在室温下运行的高温超导体长期以来一直是凝聚态和材料物理学的圣杯，如果它能够得到开发，人们的生活和社会将被彻底重塑。例如，可以更有效地传输电力或以更低的成本运行磁悬浮列车。

论文作者之一Zhang补充说：“量子几何是惊人的，会带来丰富而意想不到的后果。更多令人兴奋的物理学等待被发现。”

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05576-2