发布时间:2021-07-22 10:12 原文链接: 发完Science后三个月95后天才少年曹原再发Nature

  刚刚,95后石墨烯大神曹原又在《Nature》上发表了关于魔角石墨烯的最新研究成果,迎来了自己人生中第八篇《Nature》!而这距离他上一次发表《Science》仅仅三个月左右的时间。

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  从2018年发现魔角石墨烯以来,这位NS(Nature/Science)狂魔已经发了8篇Nature、1篇Science! 其中,仅2021年上半年便已经发表了3篇Nature+1篇Science,发表间隔时间最长不过一个月,最短仅一周左右,如此密集的丰硕成果,令人难以想象

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曹原第八篇《Nature》:发现能够在强磁场中存在的罕见超导现象

  2021年7月21日,曹原再次以第一作者+通讯作者的身份,在《Nature》发表了题为“Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene”的论文。

  在该研究中,曹原等人在魔角扭曲的三层石墨烯(magic-angle twisted trilayer graphene,MATTG)材料中观察到一种罕见的超导现象。研究发现,当 θ 等于大约 1.6° 的“魔幻”角时,MATTG在低温(低至1开尔文)下电阻为零,变为超导体。令人惊讶的是,MATTG在高达 10 特斯拉的惊人高磁场下仍然表现出超导性,这比传统超导体所预测的材料所能承受的磁场高出三倍!

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图1. 魔角扭曲三层石墨烯中罕见的自旋三重态超导现象。

  曹原表示,该研究中发现的魔角三层石墨烯是一种非常罕见的超导体,被称为“自旋三重态”,不受强磁场的影响。这种奇异的超导体可以极大地改进磁共振成像(MRI)技术。目前,MRI 机器仅限于 1 到 3 特斯拉的磁场。如果它们可以用自旋三重态超导体制造,那么 MRI 就可以在更高的磁场下运行,以产生更清晰、更深的人体图像。

  此外,三层石墨烯中自旋三重态超导性的新证据也可以帮助科学家设计更强大的超导体,以用于实际量子计算。

  自旋单线态超导VS. 自旋三重态超导

  所谓超导体,是指在不损失能量的情况下具有高效的导电能力,以零电阻传输电流。从微观上讲,当暴露在电流中时,超导体中的电子会以“库珀对”的形式耦合,然后集体和协作地移动,在没有阻力的情况下穿过材料,从而不会损失能量。

  在绝大多数超导体中,这些“库珀对”具有相反的自旋(内在角动量),一个电子向上旋转,另一个向下旋转,总自旋为零,这种配置被称为“自旋单线态”。这些电子对通过超导体愉快地加速,除非在高磁场下,它可以将每个电子的能量向相反的方向移动,从而将电子对拉开。也就是说,强磁场可以破坏传统自旋单线态超导体的超导性。这就是为什么在足够大的磁场中,超导性最终消失的原因。

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图2. 传统超导体的自旋单线态和魔角扭曲三层石墨烯的自旋三重态

  但是,同样存在一些不受磁场影响的奇异超导体,强度非常大。这些材料通过具有相同自旋的电子对进行超导,“库珀对”的总自旋为1,并且两个电子自旋可以在同一方向上排列。这种特性被称为“自旋三重态”。当暴露在强磁场中时,库珀对中的两个电子的能量会向同一方向移动,这样它们就不会被拉开,而是继续不受干扰地超导,无论磁场强度如何。

  大多数实验上已知的超导体都有自旋-单线态库珀对;其中包括表现出传统超导性的金属(例如铅和铌),以及表现出非常规超导性的铜酸盐(层状氧化铜化合物)。然而,具有自旋-三重态的非常规超导体却鲜有报道。

  难以置信!MATTG超导在10 T的强磁场中幸存下来

  起初,研究人员在魔角扭曲双层石墨烯中观察到了超导现象,随后很快跟进了魔角三层石墨烯的测试,结果发现,它比双层石墨烯更坚固,在更高的温度下保持超导性。当施加适度的磁场时,研究人员注意到三层石墨烯能够以破坏双层石墨烯超导性的场强进行超导。

  “我们认为,这很奇怪,”曹原的导师Jarillo-Herrero 说道。随后,曹原和导师Jarillo-Herrero 便起了好奇之心,魔角三层石墨烯是否可能包含这种不寻常的自旋三重态超导性的迹象。于是,研究人员将三层石墨烯堆叠在一起,并将中间的一层相对于外层旋转 1.56 度来制造MATTG;然后通过一块磁场方向与材料平行的大磁铁控制磁场,在越来越高的磁场下测试了MATTG的超导性。

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图3. 高平面磁场下 MATTG 中的超导性。

  研究发现,当不断增加周围的磁场时,MATTG的超导性一直很强,直到消失。但令人无比惊奇的是,MATTG的超导性居然在更高的场强下重新出现,卷土重来!这是在传统的自旋单线态超导体中从未观察到的。

  同时,曹原等人还观察到,在“卷土重来”之后,在高达 10 特斯拉的磁场强度下超导性依然持续存在!要知道,这是实验室磁铁可以产生的最大场强。根据泡利极限(这是一种预测材料可以保持超导性的最大磁场的理论):如果普通超导体是传统的自旋单线态,那么MATTG的承受能力大约是普通超导体的三倍。

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图4. MATTG 超导超越泡利极限

  超导消失后卷土重来?Why?

  “在自旋单线态超导体中,如果你用磁场“杀死”超导,它就永远不会回来,永远消失了,”曹原说道。 “而在这里,它又出现了。所以这说明这种材料肯定不是自旋单线态。”

  魔角扭曲三层石墨烯重新出现超导性,再加上其在比预期更高的磁场中的持久性,排除了这种材料是普通超导体的可能性。这意味着,它可能是一种非常罕见的类型,即自旋三重态,承载着快速穿过材料的库珀对,不受强磁场的影响。

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图5. MATTG中超导相之间的场致转变。

  据悉,目前曹原团队正在计划深入研究该材料以确认其确切的自旋状态,希望为开发下一代更强大的 MRI 机器和更强大的量子计算机的设计提供更多的信息和科学依据。

  “常规量子计算非常脆弱,”Jarillo-Herrero 说。 “你看着它,噗,它可能就消失了。大约 20 年前,理论家提出了一种拓扑超导性,如果在任何材料中实现,就可以 [启用] 负责计算的状态非常稳健的量子计算机,从而为计算提供无限的力量。实现这一目标的关键因素是某种类型的自旋三重态超导体。我们不知道我们的类型是否属于那种类型。但即使不是这样,也可以将三层石墨烯与其他材料放在一起来设计这种超导性。这可能是一个重大突破。”

  参考文献:

  1. Cao, Y., Park, J. M., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo-Herrero, P. Nature 595, 526–531 (2021).

  2. Nature 595, 495-496 (2021). doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-01890-3.

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