從雙層到三層、超導(dǎo)消失又回來、10特斯拉也能“哥倆好”……“魔角”石墨烯可能真的有“魔法”。

　　近日，美國麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)家在一種被稱為“魔角”三層石墨烯的材料中觀察到一種罕見超導(dǎo)現(xiàn)象。這種材料在高達10特斯拉的高磁場下仍顯示出超導(dǎo)性，這比傳統(tǒng)超導(dǎo)體的預(yù)計承受能力高出3倍。7月21日，相關(guān)論文刊登于《自然》。

　　未參與該研究的圣母大學(xué)物理學(xué)家Yi-Ting Hsu表示，這種超導(dǎo)性在強磁場下持續(xù)存在的材料可能會帶來量子計算的進步。

　　磁場奈我何?

　　石墨烯以其獨特的力學(xué)和電學(xué)特性，被稱為“神奇材料”，在下一代自旋電子學(xué)應(yīng)用中極具前景。

　　《中國科學(xué)報》從MIT獲悉，該校物理學(xué)教授Pablo Jarillo-Herrero、博士后曹原、研究生Jeong Min Park，以及日本國家材料科學(xué)研究所的 Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi 等人發(fā)現(xiàn)，“魔角”三層石墨烯是一種非常罕見的超導(dǎo)體，具有自旋三重態(tài)，不受強磁場的影響。

　　通常，超導(dǎo)材料是它們能在不損失能量的情況下超高效導(dǎo)電。當暴露在電流下時，超導(dǎo)體中的電子以“庫珀對”的形式耦合在一起，然后就它們就像坐上一輛過山車，能毫無阻力地快速穿過材料。

　　在絕大多數(shù)超導(dǎo)體中，這些“乘客”兩兩具有相反的自旋，一個電子自旋向上，另一個自旋向下——這種構(gòu)型被稱為“自旋單線態(tài)”。這些電子對能很好地通過超導(dǎo)體，但高磁場會阻礙它們的“步伐”，因為高磁場會使每個電子的能量向相反的方向移動，把電子對拉開。這樣一來，傳統(tǒng)自旋單線態(tài)超導(dǎo)體超導(dǎo)性會脫軌。

　　“這就是為什么在一個足夠大的磁場中，超導(dǎo)性會消失的最終原因?！盤ark告訴記者。

　　但也有一些超導(dǎo)體不受磁場影響，即便強度很大也是如此。這些材料通過具有相同自旋的電子對顯示超導(dǎo)性——這種特性就是自旋三重態(tài)。當暴露在高磁場下時，“庫珀對”中的兩個電子的能量會向同一方向移動，無論磁場強度如何，它們都不會被拉開，而是繼續(xù)超導(dǎo)。

　　超導(dǎo)性“再登場”?

　　2018年，Jarillo-Herrero、曹原等人，首次發(fā)現(xiàn)只要將兩層石墨烯旋轉(zhuǎn)到特定的 “魔法角度” 相互疊加，它們就可以在零阻力的情況下傳導(dǎo)電子。相關(guān)成果被認為或是數(shù)十年來尋找室溫超導(dǎo)體十分重要的一步。之后，研究人員又設(shè)計了“魔角”三層石墨烯結(jié)構(gòu)。

　　一開始，Jarillo-Herrero團隊很好奇“魔角”三層石墨烯是否具有自旋三重態(tài)超導(dǎo)性。于是，他們進行了三層石墨烯測試。

　　結(jié)果顯示，“魔角”三層石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)比雙層石墨烯更強，能在更高的溫度下仍保持超導(dǎo)性。當研究人員施加一個適中的磁場時，他們注意到“魔角”三層石墨烯能夠在磁場強度下超導(dǎo)，而該強度會破壞雙層石墨烯的超導(dǎo)性。

　　當時，研究人員感到非常奇怪。于是，他們測試了“魔角”三層石墨烯在越來越高的磁場下的超導(dǎo)性。他們從一塊石墨中剝離出單原子層的碳，將三層堆疊在一起，并將中間的一層相對于外層旋轉(zhuǎn)1.56度。他們將一個電極連接到材料的任意一端，使電流通過，并測量在此過程中損失的能量。

　　然后，他們在實驗室中打開一個大磁鐵，將磁場定位到與材料平行的方向。當增加“魔角”三層石墨烯周圍的磁場時，研究人員觀察到超導(dǎo)性在消失之前一直很強，但隨后奇怪地在更高的場強下又出現(xiàn)了。研究人員表示，之前并未在傳統(tǒng)的自旋單線態(tài)超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。

　　“在自旋單線態(tài)超導(dǎo)體中，如果你‘殺死了’超導(dǎo)性，它就再也不會回來了——它一去不復(fù)返了?！辈茉赋觯暗谶@里，它又出現(xiàn)了。所以這種材料不是自旋單線態(tài)?！?/p>

　　“二維自旋三態(tài)超導(dǎo)體引起了廣泛的關(guān)注，因為有許多被預(yù)測具有被稱為馬約拉納零模式的奇異零能量激發(fā)。”Hsu在同期《自然》發(fā)表的相關(guān)評論文章中寫道。

　　“抵御”10特斯拉?

　　之后，另一個驚人的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了。在“超導(dǎo)性重返”后，超導(dǎo)性一直持續(xù)到10特斯拉磁場下，這是實驗室磁鐵能產(chǎn)生的最大磁場強度。根據(jù)泡利極限理論，這大約是傳統(tǒng)自旋單線態(tài)超導(dǎo)體所能承受的3倍。泡利極限理論是一種預(yù)測材料能保持超導(dǎo)性的最大磁場的理論。

　　“魔角”三層石墨烯的超導(dǎo)性再現(xiàn)性，加上它能在更高磁場下保持超導(dǎo)的持久性，排除了這種材料是普通超導(dǎo)體的可能性。該團隊計劃深入研究這種材料，以確定其確切的自旋狀態(tài)，這將有助于設(shè)計更強大的核磁共振機器，以及更強大的量子計算機。

　　這種超導(dǎo)體可能極大地改進磁共振成像（MRI）等技術(shù)。MRI是在磁場下使用超導(dǎo)導(dǎo)線與生物組織共振并成像。相關(guān)機器目前只能在1到3特斯拉的磁場范圍內(nèi)工作。如果可以用自旋三重態(tài)超導(dǎo)體來制造，MRI就可以在更高的磁場下運行，產(chǎn)生更清晰、更深的人體圖像。

　　“魔角”三層石墨烯中自旋三重態(tài)超導(dǎo)性也可以幫助科學(xué)家為實用性量子計算設(shè)計更強的超導(dǎo)體。

　　“常規(guī)的量子計算非常脆弱。你看著它，噗的一聲，就消失了?！盝arillo-Herrero說，“大約20年前，理論家們提出了一種拓撲超導(dǎo)，如果在任何材料中實現(xiàn)，就可以使量子計算機成為可能，這將為計算提供無限的能力。實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵因素是某種類型的自旋三重態(tài)超導(dǎo)體。我們不知道這個材料是不是那種類型。但即使不是這樣，這也能讓三層石墨烯與其他材料一起制造這種超導(dǎo)性變得更容易。這可能是一個重大突破，但現(xiàn)在下結(jié)論還為時過早。”

　Hsu則認為，自旋三重態(tài)并不意味著觀察到的超導(dǎo)性對拓撲量子計算有用。未來的工作需要研究超導(dǎo)的拓撲性質(zhì)。例如，研究人員應(yīng)該確定它是否打破了時間反轉(zhuǎn)的對稱性——這可能是手性p波超導(dǎo)的一個跡象。他們還應(yīng)該尋找旋渦核中零能量態(tài)的直接證據(jù)，這將表明馬約拉納零模式的存在?！皬倪@些研究中獲得的理解可以幫助物理學(xué)家開發(fā)有前途的拓撲量子計算平臺。”Hsu說。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03685-y

　　https://doi.org/10.1038/d41586-021-01890-3

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