Exotic New Superconductors Delight and Confound
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欢迎收听Quanta科学播客。每一期节目，我们都会为您带来关于科学和数学发展的故事。我是苏珊·瓦莱特。去年发现了三种新型超导体，这说明电子结合形成无摩擦量子汤的多种方式。接下来就是这个。量子杂志是一个编辑独立的在线出版物，由西蒙斯基金会支持，以增强公众对科学的理解。

超导性，或电流以零电阻流动，去年在三种不同的材料中被发现。

两种情况扩展了对这种现象的教科书式理解。第三种则完全将其粉碎。哈佛大学的物理学家阿什温·维什瓦纳特没有参与这些发现。他说，如果你根据实验似乎指出的情况来看，这是一种极其不寻常的超导形式，许多人都会说这是不可能的。

自从1911年荷兰科学家海克·卡默林·昂内斯首次观察到电阻消失以来，超导性就一直吸引着物理学家。这其中有它发生方式的纯粹奥秘。这种现象需要携带电流的电子配对。电子相互排斥，那么它们怎么能结合在一起呢？然后是技术前景。

超导性已经使核磁共振成像机和强大的粒子对撞机的开发成为可能。如果物理学家能够充分理解这种现象是如何以及何时产生的，也许他们就能设计出一种在日常条件下都能超导的导线，而不是像目前那样只在低温下超导。随之而来的可能是改变世界的技术，例如无损电网和磁悬浮车辆。

最近的一系列发现既加剧了超导性的神秘性，又增强了乐观情绪。华盛顿大学的物理学家马修·扬科维茨说，在材料中，超导性似乎无处不在。

许多材料都具有超导性。发现超导性并非罕见。这些发现源于材料科学的最新革命。所有三种新型超导现象都出现在由原子薄片组成的器件中。

这些材料显示出前所未有的灵活性。只需按一下按钮，物理学家就可以将它们在导电、绝缘和更奇特的行为之间切换，这是一种现代炼金术，它极大地促进了对超导性的探索。现在看来，各种原因都可能导致这种现象。

正如鸟类、蜜蜂和蜻蜓都使用不同的翅膀结构飞行一样，材料似乎也以不同的方式将电子配对。即使研究人员正在争论在各种二维材料中究竟发生了什么，他们也预计不断增长的超导体“动物园”将帮助他们对这种诱人的现象获得更普遍的认识。

卡默林·昂内斯观察到的超导性和在其他极冷金属中观察到的超导性最终在1957年被破解。

约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗发现，在低温下，材料的抖动原子晶格会平静下来，因此更精细的影响就会显现出来。电子轻轻地拉动晶格中的质子，将它们向内拉，从而产生过量的正电荷。这种变形被称为声子。然后它可以吸引第二个电子，形成库珀对。

这些库珀对电子可以像单个电子无法做到那样，结合成一个相干的量子实体。由此产生的量子汤在材料的原子之间无摩擦地滑动，而这些原子通常会阻碍电流流动。巴丁、库珀和施里弗关于基于声子的超导性的理论使他们获得了1972年的诺贝尔物理学奖。但这并非全部故事。

在20世纪80年代，物理学家发现，称为铜酸盐的充满库珀对的晶体可以在更高的温度下超导，在这些温度下，原子抖动会消除声子。随后出现了其他类似的例子。因此，理论家们集思广益，提出了新的电子配对方法。高温超导体似乎具有以某种方式减慢电子速度的原子排列方式。

当电子有机会悠闲地混合时，它们会集体产生一个华丽的电场，这可以使它们做一些新奇的事情，例如形成对而不是排斥。物理学家现在怀疑，特别是在铜酸盐中，电子以某种有利于配对的方式在原子之间跳跃。但其他非常规超导体仍然非常神秘。

然后，在2018年，一种新型超导体让物理学家的眼睛睁得更大了。麻省理工学院的物理学家帕勃罗·哈里奥·埃雷罗发现，如果你取一张以蜂窝晶格排列的碳原子片，一种称为石墨烯的二维晶体，并将其精确地扭曲1.1度，然后将其堆叠在另一张石墨烯片上，这两层可以超导。

研究人员之前一直在研究二维材料并发现各种行为。通过施加电场，他们可以向薄片中添加电子，或者使电子感觉原子网格几乎像是在收缩一样。在一个单一的二维器件中调整这些设置可以再现数千到数百万种潜在材料的行为。哈里奥·埃雷罗表明，在这些可能性中，有一种新型超导体：魔角石墨烯。

然后，几年后，加利福尼亚的一个小组去除了魔角，发现三层无扭转的石墨烯器件也可以超导。研究人员仍在讨论为什么电子在这种情况下会粘在一起。声子在某些方面符合数据，但似乎也有一些新的东西在起作用。但真正让物理学家兴奋的是，这有望提供一种研究超导性的新方法。

可定制的二维器件使他们摆脱了逐个设计、生长和测试新晶体的繁琐工作。

研究人员现在能够在一个器件中快速再现许多不同原子晶格的影响，并找出电子究竟能够做什么。这种研究策略正在奏效。2024年，物理学家在除石墨烯以外的二维材料中发现了超导性的第一个例子，以及在一个新的石墨烯系统中发现了完全新型的超导性。

这些发现已经证实，早期的石墨烯超导体只是新发现的广阔领域的边缘。在此之前，在2020年，哥伦比亚大学的物理学家科里·迪恩和他的团队尝试堆叠不同的二维晶体薄片。

这是一种由两种类型的原子组成的蜂窝状排列，称为过渡金属二硫属化物，或简称TMD。当他们将薄片扭曲5度时，电阻骤降至零，但并没有保持在那里。这是一个不确定的超导性暗示。

检测的不确定性并没有阻止麻省理工学院的梁福和路易斯安那州立大学的康斯坦丁·施拉达试图解释它。他们怀疑声子不是答案。

扭曲材料之所以强大，是因为扭曲改变了电子的体验，使材料具有万花筒般的莫尔图案。莫尔图案具有大型六边形单元，这些单元充当人工原子，容纳电子。在这种新的环境中，电子的移动速度足够慢，以至于它们的集体电相互作用可以引导它们的行为。

但是电子是如何密谋形成对的呢？哥伦比亚小组将电子输送到莫尔图案中。他们观察到，当莫尔材料中每个大型单元都有一个电子时，这些电子呈现反铁磁排列，这意味着它们的固有磁场倾向于在向上和向下之间交替。

向莫尔图案中添加额外的电子使电阻降至零。库珀对已经形成。傅和特拉达认为，相同的电子与电子作用使反铁磁态和超导态成为可能。

在一个单元格一个电子的情况下，每个电子都可以有一个首选位置和磁取向。但是当额外的电子堆积时，磁性排列变得不稳定，整个群体开始自由流动。科学期刊最初拒绝发表傅和特罗塔描述这些想法的论文，因为没有确凿的证据表明TMD可以超导。现在有了。

哥伦比亚小组花了四年时间提高他们在低温下测量电阻的能力，去年他们取得了突破。他们组装了另一个具有5度扭曲的双层器件，将其冷却下来，并观察到它超导，这一观察结果于1月份发表在《自然》杂志上。以下是物理学家科里·迪恩的介绍。所以这有点像一个小的迹象，表明这实际上是正确的。傅。

傅和施拉德的理论得到了哥伦比亚大学的证实，已经被发表，但尚未得到证实。检验它的一种方法是检查库珀对是否可以旋转，正如该理论所预测的那样。这是一个不寻常的特征，因为由声子配对的电子不会彼此绕轨道运行。向反铁磁金属中添加电子并不是在TMD中产生超导性的唯一方法。

在哥伦比亚大学的发现之前不久，另一个小组在同一种材料中发现了更奇特的超导性。吉·山和金·菲·麦克是一对学术伉俪，他们在康奈尔大学领导着一个实验室，自2018年哈里奥·埃雷罗的突破性扭曲石墨烯发现以来，他们一直在寻找TMD中的超导性。

他们花了数年时间混合和匹配五种TMD晶体，尝试不同的扭曲角度和温度，并将各种电场强度施加到材料上。他们正在一个巨大的干草堆中寻找超导器件。当针头最终出现时，它显示出一种没有人预料到的超导性。

哥伦比亚大学的团队是从反铁磁金属开始，然后添加电子。康奈尔大学的小组是从绝缘体开始，什么也没有添加。它们的莫尔图案是由较温和的3.5度扭曲产生的。它允许电子减速到如此程度，并以如此强的相互作用，以至于它们都卡在一个单元格一个电子的位置。

然后，该小组仅仅通过调整施加电场的强度就使器件超导。研究人员在2024年10月发表在《自然》杂志上的这一结果并不完全符合任何流行的超导理论。维什瓦纳特说，这真的闻起来像是发生了其他事情。

即使超导性已经扩展到TMD，石墨烯仍在令人惊叹。在夏季，一种石墨烯器件产生了神话般的超导形式。发现它的团队负责人朱龙珠说，它在现象学上与所有其他超导体都不同。

扭曲对于朱来说太混乱了。莫尔图案往往会被薄片中的皱纹破坏，这使得每个器件都略有不同。相反，他研究了一种阶梯状的四层石墨烯排列，它也可以减慢电子的速度。挑战在于发现哪些石墨烯薄片自然具有这种阶梯状排列。朱在红外摄像机的帮助下完成了这项工作。

2023年，朱的小组在扭曲的角度将五层石墨烯薄片放置在绝缘体上时引起轰动，并观察到一种罕见的电子行为，这种行为通常需要强磁场才能诱导。理论家质疑扭曲是否必不可少，因此他和他的团队又回去看看去除扭曲后会发生什么。他说他们发现了一些更奇怪的东西。

当他们改变施加到材料上的电场的强度时，他们发现几个电阻消失的设置。在两种情况下，超导性闪烁，电阻来来去去。奇怪的是，当他们打开附近的磁铁时，闪烁停止了。磁铁通常会破坏超导性，但在这里它们却增强了超导性。

朱的小组怀疑他们的石墨烯阶梯正在创造条件，使电子配对并旋转。但他们认为，在他们的石墨烯器件中，所有对都倾向于朝同一方向旋转，顺时针或逆时针，当对并非全部均匀旋转时，就会出现闪烁。磁场通过推动任何不守规矩的对与整体旋转对齐来消除闪烁。

具有这种优选内部方向的材料称为手性材料，但长期以来人们认为手性会阻止超导性，因为它以一种应该阻止对形成的方式区分向左和向右移动的电子。这太不寻常了，以至于其他研究人员正在等待更多实验来验证它。以下是麦克的介绍。我想说，你知道，在这个时候，这可能仍然是一个不断发展的故事。我认为

我认为它只需要额外的数据来充分证实它是否是手性超导体。如果得到证实，这实际上是一个非常令人兴奋的发现，对吧？它绝对是一种非常规超导体。与此同时，理论家们已经发表了关于手性超导性如何发生的新理论。傅和合作者去年秋天提出了以下方法。

你从排列成重复晶体的电子开始，就像在绝缘体中一样，只是在这种情况下，电子晶格可以独立于背景原子核自由漂浮。然后，电子晶格松弛，它的涟漪以声子方式配对电子。傅强调这只是一个可能性，并指出我们正处于未知领域。

虽然物理学家不能肯定地说是什么在这些二维材料中配对电子，但他们更有信心认为有多种方法可以做到这一点。电子组织成各种材料，从绝缘体到磁性金属再到电子晶体，轻微的扰动似乎随时可能使许多这些材料转变为超导电子对。

能够直接观察到当他们向材料中添加更多电子或稍微减弱其电场时会发生什么，这使得物理学家能够快速尝试前所未有的方法，并查看哪些方法会导致超导性。以下是迪恩再次的介绍。扭曲双层系统的真正前景在于，这实际上是一个可调实验室，我们可以在其中制造基本上任何材料。实验人员正在为理论家解释积累大量的宝贵数据。

麦克和山希望这种丰富性将使理论家能够预测产生超导性的方法，而实验可以证实这一点。这将证明对这种现象的真正理解。这将标志着学术成就和设计用于革命性新技术材料的关键一步。

但就目前而言，实验人员仍然是领先者。或者用物理学家马修·扬科维茨的话来说，每个人都像在尽可能快地冲刺去做这件事。我不敢相信我们已经做了六年了，而且像这样，你不能休息。

阿琳·桑塔纳帮助制作了这一集。我是苏珊·瓦莱特。有关此故事的更多信息，请阅读查理·伍德的完整文章《新型超导体令人欣喜又困惑》，网址为quantamagazine.org。一定要告诉你的朋友们关于Quanta科学播客，并给我们一个积极的评价或关注你收听的地方。这有助于人们找到这个播客。