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又是他,中科大少年班周昊欣再发Science,曾经一天内连发2篇Nature!

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高分子科学前沿

2022-01-15 11:40

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在当今物理学界,由魔角石墨烯引发的科研飓风仍然继续!尤其是在过去的2021年,关于三层石墨烯中发现超导现象的研究把魔角石墨烯的研究进展再次推向了高潮!

2021年9月1日,加州大学圣巴巴拉分校的A. F. Young教授课题组在Nature上以背靠背的形式连发两篇关于菱面体三层石墨烯的文章!值得一提的是,这两篇文章的第一作者均为A. F. Young教授课题组的周昊欣博士(中科大少年班11级)。他在直博七年期间,不鸣则已,一鸣惊人,一天之内发表两篇Nature!

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A. F. Young教授于 2006 年获得学士学位,2012 年获得哥伦比亚大学博士学位,在那里他开始研究了石墨烯的特性。从2011年到2014年,A. F. Young在麻省理工学院(MIT)实验凝聚态物理Pablo Jarillo-Herrero教授课题组做博士后。Young于 2015 年加入加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)任教。值得注意的是,2020年以来, A. F. Young教授课题组已经在Nature上发表了四篇文章,Science上发表了两篇文章!

周昊欣:中科大少年班11级,15届。2021年9月1日一天发表两篇Nature,一鸣惊人,被科研吃瓜群众认为是下一个“曹原”。目前,周昊欣已经博士毕业,加入加州理工学院从事博士后研究。

成果再次登上顶刊Science,为博士生涯画上圆满句号

近日,周昊欣博士再次以第一作者身份,与导师A. F. Young教授一起,以“Isospin magnetism and spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene”为题在Science上发文报道了在伯纳尔双层石墨烯中观察到磁场诱导产生的自旋极化超导现象。这是周博士继两篇Nature之后第三篇正刊,为其七年的博士生涯画上圆满句号。

在自然界中,自旋三重态超导体是十分罕见的,这可以追溯到安德森定理的不适用性。因此实现自旋三重态超导性对材料平台的要求十分苛刻。实验上,三重态超导电性最显著的表现之一是对施加磁场的恢复力,而这可能超过塞曼能量与超导能隙的比较所设定的极限。近年来,科学家们已经在两种不同的三层石墨烯体系中—一种旋转断裂,一种亚稳态菱形堆积有序—观察到超导状态持续超过顺磁极限的现象,有望实现自旋三重态超导。遗憾的是,这两种材料都不代表结构基态,其中旋转断层构造非常不稳定,不仅限制了样品的均匀性,而且重复性较差。虽然菱面体堆叠顺序仅为亚稳态,可以获得均匀的原子结构,但在实际生产中成本高昂。这些缺点阻碍了实验中系统地改变参数,以及利用这些材料中可用的门调谐相位阵列构建更复杂的器件的可能。

此外,过去的几十年,电子相关物理学的先前探索集中在抛物线带接触的不稳定性上,而这种不稳定性发生在没有施加位移场的情况下。周昊欣博士等人发现,当施加垂直电位移场(D ≈ 0.5V/nm)时,抛物线带接触会被带隙取代(图1B),产生范霍夫奇点,其特征在于带边缘附近出现的发散单粒子状态密度

图 1. 伯纳双层石墨烯中的同位旋对称相被破坏。

周昊欣博士的研究发现,当掺杂到较大外加垂直电场产生范霍夫奇点时,在由自旋和动量空间谷自由度组合所定义的同位旋空间内,可观察到电子相之间的静电门调谐跃迁。尽管所有这些相在零磁场下都是金属的,但在平行于二维片材施加的有限 B‖≈150mT 处可观察到金属相向超导状态的转变。 超导性发生在对称破缺转变附近,并且仅存在于顺磁超导体预期的 B‖ 极限之上。此时,观察到的超导转变温度 TC ≈ 30mK,与自旋三重态有序参数一致。

图2. 伯纳双层石墨烯中观察到磁场诱导超导现象。

如果结论无误,那么上述的研究结果意味着,在石墨烯系统中任何普遍的超导理论均引入了重大限制。尤其是伯纳尔双层石墨烯、菱形三层石墨烯和莫特材料系统在各自超导机制中,费米表面拓扑结构的差异表明,费米表面细节不再是超导机制的核心。相比之下,接近同旋有序相才是莫特相和结晶石墨烯超导体的本征特征。

图3. 超导态的费米学。

在解决二维材料超导机制方面,当前工作的最大影响是实用的:伯纳尔双层石墨烯的稳定性允许以高产率和可重复性制造非常高质量的系统。这将允许探测配对对称性,例如混合超导环中的相敏测量,或将直接证明或反驳在这项工作中推断的自旋三重态性质。此外,预计场效应控制的超导性将成为无序度足够低的石墨烯同素异形体中的普遍现象。

参考文献:

Isospin magnetism and spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene. Science 2021, DOI: 10.1126/science.abm8386

来源:高分子科学前沿

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