春衫犹未著方空
“量子材料”所覆盖的最大领域之一就是超导电性，特别关注那些电子关联起很大作用的高温超导或者新的超导体合超导机制。除了 Cu 基、Fe 基等传统高温超导方向外，拓扑超导和 two - dimensional (2D) 二维超导是新加盟的两个新主题。很显然，如果从能源应用角度去要求，2D 超导大概难以胜任大电流和强负载。维度物理本身的秉性，也使得 2D 超导抵抗外部干扰的能力让人担忧。
好吧，那我们对 2D 超导体的浓厚兴趣在哪呢？Ising 囫囵吞枣，道听途说了一些可能的研究动机 (挂一漏万、不及其余)：
(1) 深化对 Cu / Fe 基高温超导的认识。这些高温超导体系，通常都呈现层状晶体结构，粗暴地说就是：一层承担载流子输运，如 CuO 层；一层是贡献耦合声子模的绝缘层。这两种不同功能的晶面交替堆叠，形成那些非常规超导。这个图像简单直观，很多物理人都想去试试看有没有新体系也能如此这般、超导一二。为此，物理人想看看这两种晶面层到底是不是那么回事，于是就去制备 2D 单层材料，看看能不能找到类似的物理。
(2) 如果 2D 超导体真的存在，那似乎可以依葫芦画瓢。例如，2D 材料层间主要靠很弱的 van der Waals (vdW) 相互作用层耦合在一起，这层间 vdW 空间似乎就是个天然的“绝缘层”。由此，那些 2D 多层材料，说不好就是天然的 2D 约瑟夫逊结之类的器件结构。
(3) 如果更浪漫、乐观和遥远一些的话，2D 超导态与 2D 材料内禀的能带结构耦合，可能导致一系列新颖的应用展望，如拓扑超导、马约费米子、量子计算，如此等等新物态、新效应和新应用期待。
2D 魔角异质结的钟表意向。2D 超导是其中的一个主要目标。
来自美国哥伦比亚大学的作品 (https://physicsworld.com/a/twistronics-tunes-2d-material-properties/)。
鉴于这些动机，就开始有了关于 2D 超导电性的探索，所谓“春衫犹未著方空”。及至今天，对 2D 超导的探索形成了大规模研究的势头，包括第一个单层 (monolayer) 2D 超导体 NbSe2。不过，主要的尝试，还是针对块体超导体的减薄进程，以看看那些个层状超导体能不能渐渐被减薄到 monolayer、bilayer、trilayer，如此等等。
但是，经验告诉我们，这种尝试不太成功。很多尝试的结果是这样减薄到接近 2D 时，材料就都不超导了、或者最多就是个超导小样。当然，还有一批超导物理人在拼命地理论计算搜索 2D 超导新材料，也有一些收获。例如，最近预言了 Tc ~ 19 K 的 B2C、10 K 的 B2O 等单层体系。还有一批超大人，在利用化学掺杂、层间插层、应变、异质结近邻效应等这些非本征的调控路数，可谓巧手绝技、抖擞精神，试图将 Tc 进一步提升。
当然，物理学最核心和打动人的应该还是那些本征超导创新。即便是 2D 超导，我们还是要回到电声子耦合 electron - phonon coupling (EPC) 的轨道上来。伸出手指头数，BCS 理论和电 - 声子耦合，这是天籁之音和神来之笔！超导转变温度总是上不去的主要原因是，这种电 - 声子耦合本质上是高阶耦合，因此才有个 McMillian – Allen – Dynes 理论给出的 McMillian 极限。将这个理论发挥到极致的已知体系是 MgB2，其 Tc ~ 39 K。从道理上讲，MgB2 物理应该是一个好的出发点。其超导温度高，是因为 B – B 键合在面内的 stretching 模式，即所谓的 E2g 声子模能够与 Mg 离子贡献出来的载流子强耦合在一起，使得其 Tc 很高。据说，MgB2 中 E2g 声子模有 9 个，但被有效利用来承载 EPC 的只有两个。受此启发而大规模设计、利用那些余下声子模的工作不断涌现。这一思路，据说还对高压下观测到氢化镧转变温度达 250 K 的实验有重要指导作用。
回到物理问题本身，MgB2 也有层状晶体结构，是不是也可以 2D 化？有的，早就有人尝试之，并预言说 MgB2 的 monolayer 有 20 K 的 Tc，但前提是 Mg 表面不能被破坏。无奈的是，大家都知道，Mg 很活跃，放在空气中很轻易就燃烧起来，Mg 露在表面的 2D – MgB2 材料显然不能稳定存在。
后来者于是就想办法进行改性设计，找一些衍生化合物，既能保留 MgB2 超导的本质，还能保持 2D 表面稳定存在。最好还能搞出一些新的功能，更多地利用 E2g 声子模、提升 Tc，引入一些新效应如拓扑等。可以看到，超导研究积累了百年，太多的物理和招数可以让超导人历经沧桑后依然“一片冰心在玉壶”！
来自 Rutgers University 物理系的知名学者 Karin M. Rabe 与 David Vanderbilt 团队，与来自西弗吉尼亚大学、智利大学等合作者一起，针对这一动机，提出了一个新的化合物设计。他们展示了类 MgB2 的 2D 化合物 Mg2B4C2 的超导电性行为，结果还真的有了一些进展。他们计算预期的结果可以概括如下：
(1) 用 C 与 B 成键，可以形成上下两个 B – C 晶面，将 Mg 层保护起来，避免了 Mg 层活性导致的材料不稳定问题。得到的材料被预期结构稳定、键合很强。
(2) 电 - 声子耦合强度很强，比块体 MgB2 强两倍，预期其本征超导转变温度 47 K。如果借助物理人的能工巧手，加以剪裁、健身和培训，还可以高不少。
(3) 具有非平庸的拓扑能带结构，平带特征也很明显，应该是关联、拓扑、量子、物理的良好载体“关联拓扑量子物理”。
注意到，基于 MgB2 这样的 EPC 超导材料，凝聚态理论计算和设计技术应该已经很准确。也就是说，上面这几条预言，十有八九是靠谱的，因此值得 2D 超导人去尝试的。当然，尝试难度也不小，毕竟制备和测量都是有很高技巧的技术活。
至此，Ising 来回答被偷偷摸摸隐藏起来的问题：2D 化合物 Mg2B4C2 是不是典型的量子材料？还是就是以 EPC 为主导的常规超导？前面“具有非平庸的拓扑能带结构，平带特征也很明显”这句话就可以佐证 Mg2B4C2 成了妥妥的量子材料、如假包换！
雷打不动的结尾：Ising 是外行，如若理解错了，敬请谅解。各位有兴趣，请前往御览原文。原文链接：
High - temperature phonon - mediated superconductivity in monolayer Mg2B4C2
Sobhit Singh, Aldo H. Romero, José D. Mella, Vitalie Eremeev, Enrique Muñoz, Anastassia N. Alexandrova, Karin M. Rabe, David Vanderbilt & Francisco Muñoz
npj Quantum Materials volume 7, Article number: 37 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-022-00446-6
七律·遥望
今问凡尘量子间，叠加幅相映湖山
衍生无故关联画，宇称由缘对易牵
谁探深闺超导貌，谁摹幽表拓扑颜
骚得夏日江宁府，不系情怀不系欢
备注：
(1) 编者 Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》编辑。
(2) 小文标题“春衫犹未著方空”取自王安石大人诗句。“方空”乃是薄纱之意，这里表达对 MgB2 不断减薄、走向 2D 而推陈出新的期待。文底图片乃南京江宁初夏景色 (20190502)，小诗则展现了量子材料的春夏一角(20190515)。
(3) 封面图片展示了 2D 魔角超导的意向，乃来自 Columbia University 的作品。叙述如下：Columbia University researchers have shown that they can fine-tune the electronic, mechanical, and optical properties of 2D heterostructures like graphene on boron nitride by varying the angle between the crystals in real time。来自https://physicsworld.com/a/twistronics-tunes-2d-material-properties/。
精选文章
欢迎订阅 npj Quantum Materials 的 Email Alerts
点击 https://idp.nature.com/register/natureuser 完成免费订阅