從雙層到三層、超導消失又回來、10特斯拉也能“哥倆好”……“魔角”石墨烯可能真的有“魔法”。
近日，美國麻省理工學院（MIT）物理學家在一種被稱為“魔角”三層石墨烯的材料中觀察到一種罕見超導現象。這種材料在高達10特斯拉的高磁場下仍顯示出超導性，這比傳統超導體的預計承受能力高出3倍。7月21日，相關論文刊登于《自然》。
未參與該研究的圣母大學物理學家Yi-Ting Hsu表示，這種超導性在強磁場下持續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和電學特性，被稱為“神奇材料”，在下一代自旋電子學應用中極具前景。
《中國科學報》從MIT獲悉，該校物理學教授Pablo Jarillo-Herrero、博士后曹原、研究生Jeong Min Park，以及日本國家材料科學研究所的 Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi 等人發現，“魔角”三層石墨烯是一種非常罕見的超導體，具有自旋三重態，不受強磁場的影響。
通常，超導材料是它們能在不損失能量的情況下超高效導電。當暴露在電流下時，超導體中的電子以“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。
在絕大多數超導體中，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——這種構型被稱為“自旋單線態”。這些電子對能很好地通過超導體，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，傳統自旋單線態超導體超導性會脫軌。
“這就是為什么在一個足夠大的磁場中，超導性會消失的最終原因?！盤ark告訴記者。
但也有一些超導體不受磁場影響，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性——這種特性就是自旋三重態。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，而是繼續超導。
超導性“再登場”
2018年，Jarillo-Herrero、曹原等人，首次發現只要將兩層石墨烯旋轉到特定的 “魔法角度” 相互疊加，它們就可以在零阻力的情況下傳導電子。相關成果被認為或是數十年來尋找室溫超導體十分重要的一步。之后，研究人員又設計了“魔角”三層石墨烯結構。
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超導性。于是，他們進行了三層石墨烯測試。
結果顯示，“魔角”三層石墨烯的三明治結構比雙層石墨烯更強，能在更高的溫度下仍保持超導性。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，而該強度會破壞雙層石墨烯的超導性。
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了。研究人員表示，之前并未在傳統的自旋單線態超導體中發現這一現象。
“在自旋單線態超導體中，如果你‘殺死了’超導性，它就再也不會回來了——它一去不復返了。”曹原指出，“但在這里，它又出現了。所以這種材料不是自旋單線態?！?/p>
“二維自旋三態超導體引起了廣泛的關注，因為有許多被預測具有被稱為馬約拉納零模式的奇異零能量激發?！盚su在同期《自然》發表的相關評論文章中寫道。
“抵御”10特斯拉
之后，另一個驚人的數據出現了。在“超導性重返”后，超導性一直持續到10特斯拉磁場下，這是實驗室磁鐵能產生的最大磁場強度。根據泡利極限理論，這大約是傳統自旋單線態超導體所能承受的3倍。泡利極限理論是一種預測材料能保持超導性的最大磁場的理論。
“魔角”三層石墨烯的超導性再現性，加上它能在更高磁場下保持超導的持久性，排除了這種材料是普通超導體的可能性。該團隊計劃深入研究這種材料，以確定其確切的自旋狀態，這將有助于設計更強大的核磁共振機器，以及更強大的量子計算機。
這種超導體可能極大地改進磁共振成像（MRI）等技術。MRI是在磁場下使用超導導線與生物組織共振并成像。相關機器目前只能在1到3特斯拉的磁場范圍內工作。如果可以用自旋三重態超導體來制造，MRI就可以在更高的磁場下運行，產生更清晰、更深的人體圖像。
“魔角”三層石墨烯中自旋三重態超導性也可以幫助科學家為實用性量子計算設計更強的超導體。
“常規的量子計算非常脆弱。你看著它，噗的一聲，就消失了。”Jarillo-Herrero說，“大約20年前，理論家們提出了一種拓撲超導，如果在任何材料中實現，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。實現這一目標的關鍵因素是某種類型的自旋三重態超導體。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性變得更容易。這可能是一個重大突破，但現在下結論還為時過早?！?/p>
Hsu則認為，自旋三重態并不意味著觀察到的超導性對拓撲量子計算有用。未來的工作需要研究超導的拓撲性質。例如，研究人員應該確定它是否打破了時間反轉的對稱性——這可能是手性p波超導的一個跡象。他們還應該尋找旋渦核中零能量態的直接證據，這將表明馬約拉納零模式的存在。“從這些研究中獲得的理解可以幫助物理學家開發有前途的拓撲量子計算平臺?！盚su說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03685-y
https://doi.org/10.1038/d41586-021-01890-3
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