超导材料就像在拥挤的高速公路上的“公共汽车车道”。正如公交车上的办公室工作人员可以避免交通拥堵一样，电子对可以穿越几乎“零”摩擦的超导材料。

但是，电子对流的难度受许多条件的影响，包括电子对的密度在材料中移动。这种“超电流刚度”或电流中电子对的难度是测量材料超导性的重要指标。

最近，麻省理工学院和哈佛大学的物理学家首次直接测量了“魔法角”石墨烯的超流体刚度。 “魔术角”石墨烯由两个或多个原子薄石墨烯片组成，它们以特定角度相互扭曲，因此具有一系列出色的特性，包括超导性。

这种超导性使“魔术角”石墨烯成为未来量子计算设备的理想基础，但其超导机制尚不清楚。探索这种材料的超流体刚度有助于科学家发现“魔术角”石墨烯的超导谜团。

研究团队的测量结果表明，“魔术角”石墨烯的超导性主要由量子几何效应控制，即可能存在于给定材料中的量子状态的概念“形状”。

目前，研究结果已经发表在自然界中，这也是科学家首次直接测量二维材料的超流体刚度。此外，研究团队开发的新实验方法也可用于测量其他二维超导材料的超流体刚度。

“整个二维超导体都在等我们探索，目前，我们只是在触摸'毛皮'。”本文的联合第一作者乔尔·王（Joel Wang）说，麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家。

该研究的共同作者还包括田中Miuko，Thao Dinh，Daniel Rodan-Legrain，Sameia Zaman以及其他MIT主校园和MIT的林肯实验室以及来自国家材料研究所的Kenji Watanabe日本和高山塔尼古奇。

神奇的共鸣

自2004年首次隔离并表征它以来，石墨烯表现出非凡的品质。它实际上是原子厚度石墨片层，具有精确的蜂窝碳原子晶格结构。这种简单的结构在强度，耐用性和电导率上赋予了出色的性能。

2018年，Jarillo-Herrero及其同事发现，当两层石墨烯以特定的“魔术角”堆叠在一起时，这种扭曲的结构（现在称为魔术角扭曲的双层石墨烯，MATBG）将显示新的特性。 ，其中包括超导性。在超导状态下，电子将彼此配对，并且不像普通材料中相互排斥。这些所谓的“库珀对”可以形成具有超导潜力的超流体，也就是说，它们可以在材料中形成电流而没有任何阻力。

“尽管'Cooper对'（电子对）没有电阻，但必须应用电场以使电流流动，并且超电流的刚度是指将这些颗粒推动移动以创建超导现象的困难。”乔尔·王解释说，

如今，科学家可以通过将它们放入微波谐振器中来测量超导材料的超流量刚度。微波谐振器具有特定的谐振频率，在微波带中振荡的电信号类似于振动的小提琴弦。如果将超导材料放置在微波谐振器中，它将更改设备的谐振频率，尤其是“动态电感”，并且这种变化可以直接反映材料的超流体刚度。

但是，目前，此方法仅适用于大型较厚的材料样品。麻省理工学院研究小组意识到，要测量原子级厚材料（如MATBG）的超流体刚度，有必要找到另一种方法。

“用谐振器检测到的超导体比其谐振器厚10到100倍，并且面积更大。我们不确定这样的薄材料是否会产生任何可测量的电感。”乔尔·王（Joel Wang）说。

信号捕获

测量MATBG中超流刚度的困难是如何将这种极其脆弱的材料连接到微波炉谐振器表面。 “为此，必须形成两种材料，即超导接触之间理想的无损接触。”乔尔·王（Joel Wang）解释说：“否则，输入微波信号将减弱甚至直接反射，并且根本不会进入目标。”材料。”

MIT Oliver团队长期以来一直致力于开发准确连接二维材料的技术，目的是为未来的量子计算设备构建新量子位。在新的研究中，田中Miuko，Joel Wang和同事使用这些技术无缝将一小部分MATBG样品连接到铝微波谐振器的末端。为此，研究团队首先使用常规方法组装了MATBG，然后将其夹在两个六角硼硼化层隔离层之间，以维持MATBG的原子结构和特征。

奥利弗解释说：“铝是超导量子计算研究中常用的材料，例如用铝谐振器读取铝制量子。” “因此，我们想知道为什么不尝试使用铝来制作整个谐振器？这对我们来说更容易，然后我们在最后添加了一小部分MATBG，事实证明这是一个好主意。”

乔尔·王（Joel Wang）说：“要与MATBG取得联系，我们将其蚀刻得很细，就像用非常锋利的刀切割蛋糕的层。” “我们暴露了新切割的MATBG的一侧，然后将与谐振器相同的铝材材料放置，以实现良好的接触并形成铝铅。”

然后，他们将MATBG结构的铝导线连接到较大的铝微波谐振器，并向谐振器发送微波信号，以测量其谐振频率的变化，从而推断了MATBG的动态电感。

但是，当研究人员将测得的电感转换为超流向刚度值时，他们发现该值比传统的超导理论所预测的要大得多。他们猜测这种差异与MATBG的量子几何效应有关，MATBG是电子量子状态相关的方式。

田中Miuko说：“我们发现，与传统期望相比，超流体刚度增加了十倍，并且其温度依赖性与量子几何理论的预测一致。” “这表明量子几何效应正在调节这种二维物质流刚度的超流体起着关键作用。”

Jarillo-Herrero补充说：“这项工作是如何使用当前在量子电路中使用的先进量子技术来研究由强烈相互作用颗粒组成的凝结状态系统的很好的证明。”

这项研究部分由美国陆军研究办公室，国家科学基金会，美国空军科学研究办公室和其他部门资助。

此外，哈佛大学菲利普·金（Harvard Philip Kim）的团队和麻省理工学院（MIT）的贾里洛·赫雷罗（Jarillo-Herrero）团队共同进行了一项关于魔术角扭曲三重石墨烯（MATTG）的补充研究。