在量子舞池中，“扭曲”是王道
1986年，两位相对不知名的物理学家在瑞士山顶的一个佳博体育里发现了一项引发革命的发现。
“这是凝聚态物理学的伍德斯托克音乐节，”威廉与玛丽学院的物理学副教授恩里科·罗西（Enrico Rossi）说。“人们都很兴奋。它改变了一切。”
物理学家J. Georg Bednorz和K. Alex Mueller发现了陶瓷材料中的超导性，特别是基于镧的铜钙钛矿，并创造了第一个高温超导体。
这一发现为他们赢得了1987年的诺贝尔物理学奖，并预示着有一天在几乎没有电流或数据损失的情况下远距离传输电力和信息是可行的。
罗西说：“他们基本上是在摆弄这种陶瓷材料，发现它在远高于绝对零度的温度下成为超导体，远高于理论预测的可能极限。”
普通家庭使用的那种典型的电流是由电子携带的电荷，这些电子通过铜线制成的电路。当电子穿过电线时，从一个原子移动到另一个原子，从而产生电流，为家庭提供电力。
对于铜，以及几乎任何其他材料，对移动的电子都有一定程度的阻力，有点像空气阻力对扔出的网球的阻力。电阻越小，电子就能移动得越好，电流也就流动得越自由。超导是一种现象，在这种现象中，对流过材料的电流的电阻为零。
超导性的问题在于它发生在非常低的温度下，接近0开尔文或-459.67华氏度。罗西解释说，室温超导的概念就像是材料科学的黄金国。
这一发现将为超高速计算机、更高效的电力传输和每小时行驶数百英里的高速列车铺平道路。目前，这座“黄金之城”仍然遥不可及。贝德诺茨和穆勒获得诺贝尔奖是因为他们在35开尔文（-396.67华氏度）的温度下实现了超导性。
罗西说：“我们有希望把温度一直提高到室温。”“这将是一场真正的革命，因为你可以在日常交往中没有浪费。但我们被困在较低的温度下，从学术的角度来看，我们仍然不明白为什么这些陶瓷材料是超导的。”
罗西说，部分困难可能是陶瓷材料具有复杂的化学结构，这使得确定导致电子超导的关键成分具有挑战性。他和该校物理系博士后研究助理胡翔（音）是最近发表在美国物理学会旗舰刊物《物理评论快报》上的一篇论文的共同作者。
两人与来自微软量子和波兰科学院的研究人员合作，研究是什么导致电子在扭曲的双层石墨烯中超导。他们的工作得到了NSF-CAREER基金、海军研究办公室、陆军研究办公室和美国-以色列两国科学基金会的支持。
扭曲双层石墨烯是一种将单原子厚度的碳原子层以1.05度的小角度折叠而成的材料。通过以那个精确的角度（物理学家称之为“魔角”）折叠，原子以这样一种方式排列，材料就变成了超导体。
导致超导的基本机制可能与陶瓷材料相同，但扭曲双层石墨烯的化学结构要简单得多，Rossi解释说。这一发现开启了一个名为“涡旋电子学”的新领域，并为像罗西和胡这样的研究人员打开了研究超导基本物理的大门。
“这真的是关于系统的设计方式，”罗西说。“以粉笔为例。你可以很容易地打碎一块白垩砖，但同样的材料可以制成贝壳，可以保存几个世纪。这与原子排列的性质有关。同样的原理也适用于石墨烯的超导性。”
罗西和研究小组发现，原子的特定排列，以及这种排列影响每个电子量子态的方式，可以解释为什么石墨烯中的电子具有超导性。
这有助于把这种现象想象成一种量子方块舞，原子排列的折叠矩阵就像舞池。跳舞的是电子，随着夜晚的进行，它们与其他电子结成一组，称为库珀对，这是超导性的关键元素。
“在扭曲的双层石墨烯中，电子被迫缓慢移动。如果你减慢它们的速度，使速度非常小，并且你允许电子在同一个地方花更多的时间，它们就会开始相互作用并配对，”罗西说。“天真地说，你也会期望这会导致纯粹的超导性，因为电子有足够的时间形成对，并且形成很多对。然而，如果这些库珀对都是自己做自己的事情，那么系统就不会超导，传统的结果表明，扭曲双层石墨烯就是这种情况。”
简单地说，要实现超导性，量子方块舞必须变成一个巨大的康加线，所有的库珀对都连接在一起。如果夫妻不互相接触，这种材料就不会超导。Rossi， Hu和他们的合作者发现了这种情况是如何在扭曲的双层石墨烯中发生的，尽管电子的速度非常小。
罗西说：“我想解释的是，他们都需要挽起手来。”“想象一下，有一群人，他们都在向前走，但后来他们遇到了一个障碍。如果它们没有连接在一起，那么一对会在遇到障碍时停下来，而另一对可能会继续前进。”
罗西解释说，如果只有一半的电偶能绕过障碍物，那么系统所能携带的电流就会减少一半，从而产生电阻。一半的配对卡住了。如果所有的电子都能连接在一起，那么它们就能相互拉过障碍物，电阻就会缩小到零。
“这种联系的强度非常重要，”胡说。“利用以前的结果，人们可以得出结论，这种强度在扭曲的双层石墨烯中会非常小。事实上，这种连接可能存在于扭曲的双层石墨烯中，在此之前还没有被研究过。”
一旦研究人员意识到扭曲双层石墨烯中的“康加线”形成对超导性至关重要，他们就开始研究为什么会发生这种情况。研究小组没有观察舞者，而是观察他们是如何跳舞的。
他们发现，实际上是每对电子的个体属性（电子对的个体属性，类似于自旋）对连锁产生了最大的影响。这比他们的体型、速度或他们在量子舞池里花了多长时间的影响更大。
“一开始，我们关注的是速度。当它变为零的时候，你可以成为情侣，这很棒，但这还不够。”罗西说。“你需要能够让所有这些情侣以某种方式联系起来。这就是获得超导性所需要的。假设这种联系也是由速度引起的，但这忽略了还有另一种方式。它与量子态的个体特征有关。这是人们以前从未考虑过的贡献。”
