流经电源线和计算机的电子会不可避免地遇到阻力。当它们这样做时，它们会失去一些能量，而且这些能量会以热量的形式消散。这就是为什么笔记本电脑在使用很久后会发热的原因。同样，任何携带能量的粒子在典型的环境中流动时也往往会失去该能量。但也有一些例外，它通常发生在非常低​​的温度下，当粒子成对的形成被称为量子凝聚态的对时。这会导致在某些金属(例如铝)具有超导性(电阻消失)以及在液态氦中会产生超流性(可以在没有能量损耗的情况下流动)。

有许多应用，如无损耗电力传输和量子计算等，都是基于能显示这些量子凝聚态的超导材料而开发的。但是，已知的超导材料需要保持在低温环境，这通常是不切实际的。为了提高无能量损耗设备的工作温度，研究人员首先需要更好地了解是什么导致了量子凝聚态的形成。

理论上，超导是电子成对结合导致的结果。然而，在大多数材料中，这种配对关系很弱——两个带负电的粒子通常不想相互配对——而且配对的强度是固定的。在近期《科学》杂志的一篇新文章中，一个由美国哥伦比亚大学、哈佛大学、布朗大学和日本国立材料研究所的研究人员组成的研究团队描述了一个基于石墨烯的可调平台，能在强磁场下使用相反电荷的电子和空穴形成量子粒子对。现在，这种配对的强度可以沿着一个连续体变化，这将使该团队能够测试关于量子凝聚态起源的理论预测，以及了解如何提高超导性的温度极限。

其基本理论非常简单。哥伦比亚大学的研究员Cory Dean说：“如果你能让电子配对，它们就能成为超导。”根据BCS理论，电子之间的吸引力——无论多么微弱——都会导致这些电子配对并形成一种被称为“库珀对”的新粒子。这些粒子的行为就像玻色子一样，在足够低的温度下可以进入集体状态，并且能在材料中不受阻碍的移动。这是任何单个电子都无法单独实现的特征。

但是有个问题：电子不想配对。因为负电子会互相排除。所以，该团队并没有试图使两个带负电荷的电子形成化学键，而是一直在探索电荷相反的电子如何相互吸引，从而产生等价的“配对”玻色子。

这个想法最初是由理论物理学家提出的，现在正由该团队在石墨烯的原子薄片上实现。石墨烯是一种具有独特性质的材料，他们对石墨烯已经研究了好几年。根据所施加的电压和磁场，石墨烯薄片可以被制造成带有负电荷的电子或带正电荷的空穴。当把两张这样的薄片放在一起时，其中一张薄片上的电子会想要与另一张薄片上的电荷相反的空穴配对，从而形成玻色子对。

但距离仍然是必须的。该论文的第一作者、哈佛大学的Xiaomeng Liu说：“人们最初试图将单一材料中的电子和空穴配对。它们之间确实存在吸引力，但从某种意义上说，这种吸引力太强了。”如果两者靠得太近，它们会结合并消失。他们利用哥伦比亚大学开发的一种技术来创建不同原子薄材料的分层堆叠，该团队在其平台的石墨烯之间添加了绝缘的氮化硼层。这在两层石墨烯中的电子和空穴间产生了物理距离，并且也影响了相互作用的强度：绝缘层越多，吸引力就越弱；绝缘层越少，吸引力就越强。所以通过改变绝缘层的厚度，研究人员可以直接的、可调地控制相互作用的强度。

电子和空穴不仅需要相互作用；它们形成的玻色子对还需要与其他对进行相互作用，以达到集体量子凝聚态。通过调整绝缘层的数量，该团队可以控制电子和空穴之间的结合强度，同时还能通过改变外部磁场以调整玻色子对之间的相互作用。

大多数超导材料只能在极冷的温度下存在超导性，这一温度通常低于10开尔文(-263.15℃)。然而，在某些被称为高温超导体的材料中，这种对状态可以承受高达200开尔文(-73.15℃)的温度。尽管仍然非常冷，但高温超导体的存在表明了量子凝聚态可能会在室温下发生。然而，尽管进行了几十年的研究，但使用电子-电子对或电子-空穴对实现更高温度的量子凝聚态的进展缓慢。

一种理论是高温超导体是由既不“弱”也不“强”的电子配对产生的，它存在于这两个极端之间的交叉点。在高温超导体中，研究由玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)理论描述的强玻色子对一直是一个挑战，因为电子自然地会彼此排斥，控制它们的相互作用是困难的。凭借他们的将电子与空穴结合在一起的可调石墨烯平台，该团队现在可以首次绘制出导电性如何随着配对强度在BEC和BCS极端之间的变化而变化的图。（编译:Qtech）