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如何评价 MIT Pablo Jarillo-Herrero研究组在石墨烯超晶格体系中发现超导?

2018-03-13  老夫不请...
 
 

作者:呼叫(曹原

链接:https://www.zhihu.com/question/268268033/answer/335274304

来源:知乎


​    作为一作本人来回答一下吧。

两篇文章都已被Nature接受,正在准备刊发,大家现在看到的是在线先发版(Advanced Online),还没有经过文本校对、排版、图稿统一格式等步骤,后续还可能有稍微的修改。

这两篇文章的物理内涵和重要性在之前几个回答中已经基本涵盖了,总结一下

1.第一篇文章主要描述了在旋转双层石墨烯(Twisted Bilayer Graphene)在转角接近魔角(Magic angle, 正常条件下约为1.1°)时,能带结构会接近于一个零色散的能带(flat band),从而可能导致在这个能带(实质上是两个,分别处在相对于石墨烯狄拉克点的负掺杂和正掺杂)被半填充的时候会经过一个金属-绝缘体转变变成一个莫特绝缘体(Mott Insulator)。在实验中我们以确凿的证据观测到了这个绝缘相,并分析了其对温度和磁场的响应。这项工作的主要意义在于提供了一种全新的、可调节的平台用来研究电子-电子的强关联效应。

2.那么具体有什么有趣的强关联效应可以研究呢?最有名的强关联体系莫过于铜氧化物(cuprate)中的高温超导转变了。在改进了实验条件和仪器设备之后,我们就发现了少量掺杂在莫特绝缘体相会发生超导相变,并且在多个样品中观察到了类似的现象(这是第二篇文章的主要内容)。虽然超导转变温度在1 K (开尔文)左右并不算高,但是,从石墨烯在前述条件下的极低载流子浓度1011/cm2)来看,这个转变温度是非常高的(铜氧化物Tc100 K,其等效二维载流子浓度在1014/cm2的量级上,高了不止两个数量级。为什么转变温度和载流子浓度一定要成正比?简单的说,载流子浓度决定了超导转变温度的上限,而实际的转变温度距离这个上限越近就说明电子-电子关联更强,更接近于BCS-BEC转变)。这种超导转变和前些年在硫化钼(MoS2)STO/LAO氧化物界面等二维体系中通过强掺杂产生的超导转变是完全不同的,后者可以在BCS理论的框架下得以解释(掺杂之后态密度(DOS)会增大,从而导致转变温度呈指数增加)。所以我们推测,在旋转双层石墨烯中的超导转变很有可能与铜氧化物的超导机制有极大的相似性。

如果有人问这项工作有什么实际应用,那短期内估计是没有的,但是本篇工作的主要意义在于,提供了一个前所未有的体系以供物理学家研究已困扰了30年之久的高温超导之惑。在一个相似的却更加可调控的体系中研究高温超导问题,也是冷原子方向近年来非常前沿的一个课题,可是迄今还没有成功用冷原子系统模拟出通过掺杂莫特绝缘相获得的超导相(莫特绝缘相已经在2017年被HarvardGreiner实验室实现)。从另外一个方面讲,仅用纯碳基的石墨烯来实现超导相也是人们期待已久的,因为石墨烯有各种奇特的性质比如高电导率、透光率、机械强度、稳定性等等,但是唯独超导至今尚未实现,所以它也算是这项工作的一个亮点之一。

其他回答里也提到了后续的研究方向,包括这种奇特的超导相的对称性(pairing symmetry)、赝能隙(pseudo gap)、向列相(nematic phase)等,我们希望后续研究能够提供更多信息:什么是高温超导中必须的元素。

需要说明一下,我们的文章中并没有强调做出了高温超导,因为显然1K的转变温度怎么样也谈不上高温,我们只是说在旋转双层石墨烯中产生超导的机理很可能和传统的高温超导材料(铜氧化物以及近年的铁基超导)有一定的类似性。希望不要被部分媒体的报道所误导了。

     超导电性还是弹道输运?


​      作者:姬扬
​    来源:科学网姬扬的博客 2018-3-11 22:34发布

这几天,物理学界的一个大新闻是美国MIT小组在“魔角”石墨烯里观察到了超导电性。关于这个工作的内容和意义,网上已经有很多文章介绍。

我去Nature仔细看了看他们的文章,看完以后我有个疑问:他们观察到的现象是超导电性呢,还是弹道输运?

超导电性的主要结果是下面这张图(即该文的图1)右边的两个小图(图b和图e)。随着温度的降低,四端法测量的电阻从几千欧姆变到了零,好像是超导了。他们把超导转变温度定义为高温电阻值的一半所对应的温度,得到的超导转变温度是1.7K
​       

可是,如果仔细地看图e里的插图,就会发现,即使在1K的时候,这个电阻值也大于100欧姆。从论文里的数据来看,他们似乎测不了1uV以下的电压,这就意味着他们给出的最小的测量电阻实际上也要大于10欧姆。他们采用的是恒流的四端法,用于测量电压的两个电极的间距远小于1um。在这个尺度上,即使10欧姆的电阻也是很大的了,我不知道为什么要说这是超导电性。

这个插图的数据,我觉得完全可以用弹道输运来解释,只要电子的平均自由程比较强地依赖于温度或者电流,就可以解释这些了。根据他们在图2里的两端测量结果可知,电极和石墨烯之间的接触电阻大概是几千欧姆(在最好的情况下,两个接触一共是3千欧),这就意味着,如果注入电流是100nA,注入的电子可能比费米面高出100uV,即使注入电流只有10nA,也会比费米面高出10uV以上。电子的平均自由程应该会强烈地依赖于电流,这同样可以解释他们的结果,也许还更自然一些。

我不知道他们为什么排除了弹道输运的可能性。

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