量子几何 - 超导领域最新的"神奇"转折点

德克萨斯大学达拉斯分校的科学家和他们在俄亥俄州立大学的合作伙伴发现了一种新的机制，在一种电子速度几乎为零的材料中产生了超导性。这一突破可能为新型超导体的开发铺平道路。

这项新的研究对具有近乎 "冻结"电子的材料中如何产生超导性提供了重要的见解。

他们的研究结果最近发表在《自然》杂志上，描述了一种计算电子速度的新方法。这项研究也代表了第一个例子，即量子几何被认为是任何材料中超导性的主要贡献机制。

研究人员研究的材料是扭曲的双层石墨烯。石墨烯是一个单层的碳原子，以蜂窝状的方式定期排列。在扭曲的双层石墨烯中，两片石墨烯以轻微的角度扭曲堆叠在彼此的顶部。达拉斯大学自然科学和数学学院的物理学副教授、该研究的作者张帆博士说，原则上，在某个"神奇"的扭曲角度，材料中电子的速度接近零。理论物理学家张和他的合作者之前发表了一篇关于此类系统的独特物理特性的评论文章。

张说："在传统金属中，电子的平均速度负责导电性，而在超导体中，电子配对成库珀对均匀流动，没有阻力或耗散。相比之下，在扭曲的双层石墨烯中，电子的移动速度非常非常慢，速度接近于零。但这产生了一个悖论：这些缓慢的电子如何能够导电，更不用说超导了，超导性必须来自其他东西。我们确定它产生于量子几何学。"

这项新的研究为超导性如何在具有几乎"冻结"电子的材料中产生提供了重要的见解。

由物理学教授和研究报告作者Marc Bockrath博士、Jeanie Lau博士和Mohit Randeria博士领导的俄亥俄州的研究人员制造了一个魔角扭曲的双层石墨烯装置，并能够测量其电子的速度。凝聚态物理学家利用施温格效应，即在电场存在的情况下自发产生电子-正电子对，来测量材料中电子的速度及其对超导性的贡献。这些发现标志着首次在任何超导体中看到了施温格效应，这是一种在相对论粒子物理学中预测但尚未观察到的现象。

"事实证明，该速度是迄今为止所有石墨烯系统中最慢的。令人惊讶的是，超导性仍然可以产生，"理论组的物理学博士生、文章作者之一徐天一说。"弄清楚如何测量电子速度很重要，因为确定速度是一个关键步骤，使我们能够计算出它对超导的贡献。事实证明，这个贡献是很小的。"

实验测量和理论分析表明，对超导性的主导贡献反而来自于量子几何学，它类似于普通几何学，但源自于量子多体物理学。

"考虑一下我们正常的三维空间中的一个气球。它的所有几何特性都可以由度量和定义在其表面上的曲率决定，"前研究生和文章的作者Patrick Cheung表示。"量子电子所处的空间也是如此。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，例如本研究中讨论的超导性和智能量子传感，我们在以前的工作中证明了这一点。"

由量子几何学促成的超导性是一种非常规的机制。新的发现可以成为发现和设计新的超导体的基础，这些超导体在更高的温度下发挥作用，而不是在环境压力下工作在150开尔文（-123摄氏度或-190华氏度）以下。

在室温下工作的高温超导体，长期以来一直是凝聚态物质和材料物理学的圣杯。如果它能够被开发出来，我们的生活和社会将被完全重塑，因为，例如，我们可以更有效地运输电力，以更低的成本运行磁悬浮列车。