10特斯拉，“魔角”三層石墨烯仍超導(dǎo)
麻省理工學(xué)院的物理學(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的超導(dǎo)現(xiàn)象。
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(dá)10特斯拉的高磁場(chǎng)下仍顯示出超導(dǎo)性，這比傳統(tǒng)超導(dǎo)體的預(yù)計(jì)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(qiáng)磁場(chǎng)下持續(xù)存在的材料可能會(huì)帶來量子計(jì)算的進(jìn)步。
磁場(chǎng)奈我何
石墨烯以其獨(dú)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(bào)》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(qiáng)磁場(chǎng)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(dāng)暴露在電流下時(shí)，超導(dǎo)體中的電子以“庫珀對(duì)”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(gè)電子自旋向上，另一個(gè)自旋向下——這種構(gòu)型被稱為“自旋單線態(tài)”。這些電子對(duì)能很好地通過超導(dǎo)體，但高磁場(chǎng)會(huì)阻礙它們的“步伐”，因?yàn)楦叽艌?chǎng)會(huì)使每個(gè)電子的能量向相反的方向移動(dòng)，把電子對(duì)拉開。這樣一來，傳統(tǒng)自旋單線態(tài)超導(dǎo)體超導(dǎo)性會(huì)脫軌。
“這就是為什么在一個(gè)足夠大的磁場(chǎng)中，超導(dǎo)性會(huì)消失的最終原因。”Park告訴記者。
但也有一些超導(dǎo)體不受磁場(chǎng)影響，即便強(qiáng)度很大也是如此。這些材料通過具有相同自旋的電子對(duì)顯示超導(dǎo)性——這種特性就是自旋三重態(tài)。當(dāng)暴露在高磁場(chǎng)下時(shí)，“庫珀對(duì)”中的兩個(gè)電子的能量會(huì)向同一方向移動(dòng)，無論磁場(chǎng)強(qiáng)度如何，它們都不會(huì)被拉開，而是繼續(xù)超導(dǎo)。
超導(dǎo)性“再登場(chǎng)”
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(rèn)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(jì)了“魔角”三層石墨烯結(jié)構(gòu)。
一開始，Jarillo-Herrero團(tuán)隊(duì)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(jìn)行了三層石墨烯測(cè)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(qiáng)，能在更高的溫度下仍保持超導(dǎo)性。當(dāng)研究人員施加一個(gè)適中的磁場(chǎng)時(shí)，他們注意到“魔角”三層石墨烯能夠在磁場(chǎng)強(qiáng)度下超導(dǎo)，而該強(qiáng)度會(huì)破壞雙層石墨烯的超導(dǎo)性。
當(dāng)時(shí)，研究人員感到非常奇怪。于是，他們測(cè)試了“魔角”三層石墨烯在越來越高的磁場(chǎng)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(duì)于外層旋轉(zhuǎn)1.56度。他們將一個(gè)電極連接到材料的任意一端，使電流通過，并測(cè)量在此過程中損失的能量。
然后，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中打開一個(gè)大磁鐵，將磁場(chǎng)定位到與材料平行的方向。當(dāng)增加“魔角”三層石墨烯周圍的磁場(chǎng)時(shí)，研究人員觀察到超導(dǎo)性在消失之前一直很強(qiáng)，但隨后奇怪地在更高的場(chǎng)強(qiáng)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(huì)回來了——它一去不復(fù)返了。”曹原指出，“但在這里，它又出現(xiàn)了。所以這種材料不是自旋單線態(tài)。”
“二維自旋三態(tài)超導(dǎo)體引起了廣泛的關(guān)注，因?yàn)橛性S多被預(yù)測(cè)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(píng)論文章中寫道。
“抵御”10特斯拉
之后，另一個(gè)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(chǎng)下，這是實(shí)驗(yàn)室磁鐵能產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)強(qiáng)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(cè)材料能保持超導(dǎo)性的最大磁場(chǎng)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(chǎng)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(tuán)隊(duì)計(jì)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(jì)更強(qiáng)大的核磁共振機(jī)器，以及更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。
這種超導(dǎo)體可能極大地改進(jìn)磁共振成像（MRI）等技術(shù)。MRI是在磁場(chǎng)下使用超導(dǎo)導(dǎo)線與生物組織共振并成像。相關(guān)機(jī)器目前只能在1到3特斯拉的磁場(chǎng)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(chǎng)下運(yùn)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(shí)用性量子計(jì)算設(shè)計(jì)更強(qiáng)的超導(dǎo)體。
“常規(guī)的量子計(jì)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?fù)涑瑢?dǎo)，如果在任何材料中實(shí)現(xiàn)，就可以使量子計(jì)算機(jī)成為可能，這將為計(jì)算提供無限的能力。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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(gè)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(gè)重大突破，但現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)過早。”
Hsu則認(rèn)為，自旋三重態(tài)并不意味著觀察到的超導(dǎo)性對(duì)拓?fù)淞孔佑?jì)算有用。未來的工作需要研究超導(dǎo)的拓?fù)湫再|(zhì)。例如，研究人員應(yīng)該確定它是否打破了時(shí)間反轉(zhuǎn)的對(duì)稱性——這可能是手性p波超導(dǎo)的一個(gè)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。“從這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?fù)淞孔佑?jì)算平臺(tái)。”Hsu說。
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