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曹原【Nature】“魔角”三层石墨烯可能是罕见防磁超导体

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新材料科讯 2021-07-23 15:26

发表在今天的《自然》杂志上的一篇重磅论文中,曹原再获重大突破,与麻省理工团队发现:“魔角”三层石墨烯可能是一种罕见的防磁超导体。“新发现可能有助于设计更强大的磁共振成像设备或强大的量子计算机。”

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中国物理学家曹原2018年因发现“魔角”双层石墨烯在冷却到1.7K,当暴露在电场中时,可以充当超导体或绝缘体,而选为当年科学界最重要的10人之一,称他为“石墨烯驾驭者(Graphene Wrangler)”。这是曹原发表在这一全球顶尖学术期刊上的第6篇论文。

与曹原一起作为该论文通讯作者的还有曹原的博士生导师、麻省理工学院物理学教授、巴勃罗·贾里洛·埃雷罗(Pablo Jarillo-Herrero)。曹原目前正在埃雷罗石墨烯实验室从事博士后研究。论文合著者包括麻省理工学院研究生朴正民(Jeong Min Park),以及日本国家材料科学研究所的渡边贤治(Kenji Watanabe) 和谷口隆(Takashi Taniguchi)。

该研究发现,在一种称为“魔角”扭曲三层石墨烯的材料中观察到了一种罕见的超导性迹象,这种材料在高达10特斯拉的惊人高磁场下表现出超导性,这比传统超导体所预测的材料所能承受的磁场高出三倍。

结果强烈暗示,最初由同一小组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等技术,该技术在磁场下使用超导线与生物组织共振并成像。目前MRI磁共振成像机器仅限于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成,那么就可以在更高的磁场下运行,从而产生更清晰、更深层的人体图像。

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的量子计算。

埃雷罗说,“这个实验的价值在于它教会了我们关于基本超导性,关于材料如何表现的知识,所以有了这些经验教训,我们可以尝试为其他更容易制造的材料设计原理,这可能会给出更好的超导性”。

奇怪的转变

超导材料的定义是它们在不损失能量的情况下具有超高效的导电能力。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,然后在没有阻力的情况下穿过材料,就像特快列车上的乘客一样。在绝大多数超导体中,这些乘客对具有相反的自旋,一个电子向上旋转,另一个向下旋转——这种配置被称为“自旋单线态”。

这些电子对愉快地通过超导体,除非在高磁场下,否则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。这样,通过机制,高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,超导性消失的最终原因。

但是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——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,无论磁场强度如何,继续不受干扰地超导。

研究团队很好奇“魔角”三层石墨烯是否可能包含这种更不寻常的自旋三重态超导性的迹象。该团队在石墨烯莫尔结构研究方面取得了开创性工作——原子薄的碳晶格层,当以特定角度堆叠时,可以产生令人惊讶的电子行为。

研究人员最初在两个成角度的石墨烯片中报告了这种奇怪的特性,他们将其称为“魔角”双层石墨烯,然后很快跟进了三层石墨烯的测试,这是一种三层石墨烯片的夹层结构,结果证明比双层石墨烯更坚固,在更高的温度下保持超导性。当研究人员施加适度的磁场时,他们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,正如埃雷罗所说,“我们认为,这很奇怪。”

超级回归

该新研究在越来越高的磁场下测试了三层石墨烯的超导性。通过从一块石墨上剥离原子薄的碳层,将三层堆叠在一起,并将中间的一层相对于外层旋转1.56度来制造这种材料。将电极连接到材料的任一端,让电流通过并测量过程中损失的任何能量。然后打开实验室里的一块大磁铁,磁场方向与材料平行。

当增加三层石墨烯周围的磁场时,研究人员观察到超导性在消失之前保持很强,但随后奇怪地在更高的场强下重新出现——这是非常不寻常的、势如卷土重来的“超级回归”,在传统的自旋单线态超导体中不为人知。

曹原解释说,“在自旋单线态超导体中,如果你杀死超导,它就永远不会回来——它永远消失,”。“这里,又出现了。所以这肯定说明这种材料不是自旋单线态。”

研究人员还观察到,在“卷土重返”后,石墨烯系统中的这种超导性在强磁场中幸存下来,超导性持续高达10特斯拉,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,如果超导体是传统的自旋单线态,那么它的承受能力大约是超导体的三倍。

三层石墨烯再次出现超导性,再加上其在比预期更高的磁场中的持久性,排除了该材料是普通超导体的可能性。相反,它可能是一种非常罕见的类型,可能是自旋三重态,承载着快速穿过材料的库珀对,不受强磁场的影响。该团队计划深入研究该材料以确认其确切的自旋状态,这有助于为更强大的磁共振成像MRI设备和更强大的量子计算机的设计提供信息。

埃雷罗解释说,“常规量子计算非常脆弱,” “你看着它,噗,它消失了。大约20年前,物理理论学家提出了一种拓扑超导性,如果在任何材料中实现,就可以运用这一计算状态启用稳健的量子计算机,这将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,这也可以更容易地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。不过现在还超早。”

该论文题为:“莫尔石墨烯中的泡利极限破坏和重入超导性”,研究人员在论文中介绍说:“莫尔量子物质已经成为一种材料平台,可以在其中以前所未有的控制探索相关和拓扑相。其中,由两层或三层石墨烯构成的魔角系统显示出具有非常规特征的强大超导相。然而,非常规配对的直接证据仍有待实验证明。在这里,我们展示了魔角扭曲的三层石墨烯在面内磁场超过10 T时表现出超导性,这代表了2-3 倍地违反了传统自旋单线态超导体的泡利极限。对于预计不会具有强自旋轨道耦合的系统来说,这是一个意想不到的观察结果。在整个超导相位上观察到泡利极限违反,这表明它与具有大超导幅度配对的可能的赝隙相位无关。值得注意的是,我们在大磁场中观察到重入超导性,它存在于较窄的载流子密度和位移场范围内。这些发现表明,魔角扭曲三层石墨烯中的超导性可能是由一种导致非自旋单线态库珀对的机制驱动的,并且外部磁场会导致具有潜在不同顺序参数的相之间的转变。我们的结果证明了莫尔超导的丰富性,并可能导致下一代奇异量子物质的设计。”

被称为超导体的物质的量子相以零电阻传输电流。从微观上讲,这种现象源于这样一个事实,即电子结合成两个电子态(称为库珀对)在能量上是有利的,它们集体和协作地移动而不会损失能量。当一个库珀对的两个电子自旋(内在角动量)指向相反的方向并且该对的总自旋为零时,就说它是自旋单重态的,而自旋-三重态库珀对的总自旋为1,并且两个电子自旋可以在同一方向上排列。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(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)。该研究论文报告了与自旋-三重态库珀对相关的非常规超导性的证据。

二维自旋三重态超导体引起了广泛的关注,因为它们中的许多被预测具有称为马约拉纳零模式的奇异零能量激发。这种超导体的一个经过充分研究的例子是二维手性波超导体。该系统打破了时间反转对称性,即如果时间方向反转,其物理特性会发生变化;并且当磁场垂直于磁场施加时,预计在磁通量线涡流的核心中存在马约拉纳零模式系统。马约拉纳零模式是拓扑量子位的有希望的候选者 - 一种称为拓扑量子计算的“容错”量子计算的构建块。因此,鉴于大多数已知的自旋三重态超导体是3D的,因此非常需要通过实验建立的2D自旋三重态超导体。

在过去四年里,实验物理学家开始探索由堆叠但略微错位的石墨烯层组成的准二维系统——单片六边形排列的碳原子。这种系统迅速引起了人们的关注,因为它们可以通过实验轻松调整并拥有丰富多样的相关量子相。今年早些时候,在扭曲的三层石墨烯中报道了超导性,其中包括三个堆叠的石墨烯层,其中顶层和底层相对于中间层分别以θ和– θ的角度旋转(如图)。通过调整θ的值,可以在从电子基本上彼此弱耦合的状态到它们强耦合的状态范围内研究扭曲三层石墨烯的物理特性。

如图所示扭曲的三层石墨烯中的超导性。a,魔角扭曲三层石墨烯是由三片六边形排列的碳原子组成的系统,相对旋转角θ约为1.6°。b,超导性源于电子结合成称为库珀对的两个电子态。在自旋-单重态库珀对中,电子自旋(本征角动量)指向相反的方向;在自旋-三重态 库珀对中,它们可以在同一方向上对齐。c,在材料平面存在强磁场的情况下,自旋-单线态库珀对分裂,因为一种称为塞曼效应的现象导致自旋在同一方向上对齐。相比之下,自旋-三重态库珀对可以在这样的场中存活下来。该研究发现 魔角扭曲三层石墨烯中的超导性在强大的面内磁场下持续存在,并表明这一观察结果是自旋-三重态库珀对的证据。

当 θ 等于大约 1.6° 的“魔幻”角时,研究了扭曲的三层石墨烯 - 预计系统进入强耦合状态的角度。他们在这种魔角扭曲的三层石墨烯中观察到了超导性,并研究了这种超导性的自旋特性。具体来说,在低温(低至1开尔文以下)下测量了魔角扭曲的三层石墨烯的电阻并发现了零电阻阶段。然后,他们将磁场施加到石墨烯层平面中的 魔角扭曲的三层石墨烯,并确定了观察到的超导性消失的临界场强。他们发现超导性在高达近 10 特斯拉的惊人高临界场强下仍能存活,这对于自旋单线态超导体来说是预料不到的。

磁场耦合到超导体中库珀对的轨道角动量和自旋。当对准二维超导体施加强大的面内场时,轨道效应可以忽略不计。然而,在称为泡利极限的场强之上,自旋效应往往会导致具有相反排列电子自旋的自旋-单线态库珀对分裂,因为一种称为塞曼效应的现象导致自旋指向相同的方向。相比之下,具有在平行于场的单个方向上对齐的电子自旋的自旋-三重态库珀对与这种自旋效应兼容,并且不受泡利极限的约束。该研究测量的面内临界场强。在魔角扭曲的三层石墨烯中是泡利极限的两到三倍,因此被认为是自旋三重态超导性的证据。

该研究还检测到第二个超导相,其存在于比第一个更高的面内磁场强度,持续超过10特斯拉。根据魔角扭曲的三层石墨烯在场强增加时的电阻行为与场强减小时相比,该研究认为这两个相可能通过一种称为一级相变的相变连接。这种“重入”超导性让人想起在一些 3D 自旋三线态超导体中观察到的现象,例如铀铑锗 9 和碲化铀 10,以及自旋三线态超流体(零粘度液体)氦 311。这种相似性可能会暗示魔角扭曲的三层石墨烯中两个超导相的性质。

该研究的关于魔角扭曲的三层石墨烯中准二维自旋三重态超导性的证据为可以通过实验操作的非常规超导体铺平了道路。除了自旋-三重态库珀对之外,高平面内临界场强通常可以以各种方式发展。但由于石墨烯中电子的自旋和轨道角动量之间的耦合可以忽略不计,因此这些来源不太可能发生在魔角扭曲的三层石墨烯中。然而,需要进一步的测量来表明魔角扭曲的三层石墨烯中库珀对的轨道结构是否与自旋三重态超导性一致。

至关重要的是,自旋三重态并不意味着观察到的超导性对拓扑量子计算有用。未来的工作需要研究超导的拓扑特性。例如,研究应该确定它是否打破了时间反转对称性——这表明可能存在手性p波超导性。还应该寻找涡核中零能态的直接证据,这将表明马约拉纳零模式的存在。从这些研究中获得的理解可以帮助物理学家开发有前途的拓扑量子计算平台。

参考文献:

https://news.mit.edu/2021/magic-trilayer-graphene-superconductor-magnet-0721

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03685-y

https://www.nature.com/articles/d41586-021-01890-3

来源:石墨烯资讯

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