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麻省理工学院的物理学家发现,“魔角”三层石墨烯可能是一种罕见的抗磁超导体。

麻省理工学院的物理学家已经注意到一种罕见的超导迹象,这种材料被称为扭曲的三层石墨烯的“魔角”。 图片来源:Pablo Jarillo-Herrero、Yuan Cao、Jeong Min Park 等人提供

新发现可能有助于设计更强大的 MRI 机器或强大的量子计算机。

麻省理工学院的物理学家已经注意到一种称为魔角扭曲三层石墨烯的材料中存在一种罕见的超导性迹象。 在一项研究中 自然研究人员报告说,这种材料在高达 10 特斯拉的令人惊讶的高磁场中表现出超导性,这比传统超导体所能承受的材料高出三倍。

结果有力地表明,最初由同一小组发现的神奇的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对其进行成像。 MRI 机器目前仅限于 1 到 3 特斯拉的磁场。 如果它们可以使用三重自旋超导体制造,那么 MRI 就可以在更高的磁场下运行,以产生更清晰、更深层次的人体图像。

三层石墨烯中三重自旋超导性的新证据也可以帮助科学家为实际量子计算设计更强大的超导体。

“这个实验的价值在于它教会了我们基本的超导性,以及材料的行为方式,所以通过这些课程,我们可以尝试为其他更容易制造的材料设计原理,也许这会给你更好的超导性, ”麻省理工学院塞西尔和艾达格林物理学教授 Pablo Jarillo-Herrero 说。

该论文的合著者包括麻省理工学院的袁高和研究生 Jeong Min Park、日本国家材料科学研究所的渡边健二和谷口隆。

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高效导电的能力。 当暴露于电流时,超导体中的电子以“铜对”配对,然后无阻力地穿过材料,就像快速列车上的乘客一样。

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“自旋奇异”。 除了高磁场外,这些电子对由超导体加速,高磁场可以将每个电子的能量向相反的方向移动,从而将电子对彼此分开。 这样,通过机制,高磁场可以破坏传统自旋超导体的超导性。

“这是超导在足够大的磁场中消失的最终原因,”帕克说。

但是有一些奇怪的超导体不受磁场影响,甚至强度非常大。 这些材料通过具有相同自旋的电子对实现超导——这种特性被称为“三重自旋”。 当暴露在强磁场中时,库珀对中的两个电子的能量向同一方向移动,这样它们就不会彼此分离,而是继续超导而不受干扰,而不管磁场强度如何。

Jarillo-Herrero 的小组很好奇三层魔角石墨烯是否可能包含不寻常的三重自旋超导性的线索。 该团队开展了研究石墨烯莫尔结构的开创性工作——原子薄的碳晶格层,当以特定角度堆叠时,会导致令人惊讶的电子行为。

研究人员最初报告了两个成角度的石墨烯片的这种特殊性质,他们称之为神奇的双层石墨烯。 他们很快就对三层石墨烯进行了测试,这是一种三层石墨烯的夹层结构,被发现比两层石墨烯更坚固,同时在更高的温度下保持其超导性。 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在场强下超导,这会破坏双层石墨烯的超导性。

“我们认为这是一件非常奇怪的事情,”Jarilo Herrero 说。

奇迹般的复出

在他们的新研究中,物理学家在越来越高的磁场下测试了三层石墨烯的超导性。 他们通过从一块石墨上剥离薄层碳,将三层堆叠在一起,并将中间层相对于外层旋转 1.56 度来制造这种材料。 他们将电极连接到材料的两端,让电流通过它并测量过程中损失的任何能量。 然后他们打开实验室里的一块大磁铁,磁场方向平行于材料。

当他们增加三层石墨烯周围的磁场时,他们注意到超导性在消失之前保持得相当强,但随后在更高的场强下有趣地重新出现——这是传统超导体中不为人知的非常不寻常的复苏。

“在单自旋超导体中,如果你杀死超导,它就永远不会回来——它永远消失了,”高说。 “这里,他又出现了。所以这肯定说明这材料不是一件。”

他们还指出,在“重返大气层”后,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,这大约是超导体如果是传统自旋单晶所必须承受的强度的三倍。

三层石墨烯超导的出现,加上其在高于预期的磁场中的稳定性,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,可能是三重态的物种,其宿主库珀对能够在材料中快速通过,不受强磁场的影响。 该团队计划钻入该材料以确认其精确的自旋状态,这有助于设计更强大的 MRI 以及更强大的量子计算机。

“常规量子计算非常脆弱,”Jarillo Herrero 说。 “你看着它,它就消失了。大约 20 年前,理论家提出了一种拓扑超导,如果在任何材料中实现,它都可以 [enable] 负责计算的状态非常强大的量子计算机。 这将为计算提供更多无限的力量。 需要注意的关键元素是某种类型的三重自旋超导体。 我们不知道我们的物种是否是那种。 但即使情况并非如此,这也有助于将三层石墨烯与其他材料一起放置,以设计这种类型的超导性。 这可能是一个很棒的黑客。 但现在还为时过早。”

参考文献:“违反泡利极限和超导性重新进入波纹石墨烯”,作者:Yuan Kao、Jeong Min Park、Kenji Watanabe、Taniguchi 和 Pablo Jarillo-Herrero,2021 年 7 月 21 日, 自然.
DOI:10.1038 / s41586-021-03685-y

这项研究得到了美国能源部、国家科学基金会、戈登和贝蒂摩尔基金会、Ramon Arises 基金会和 Sevare 量子材料计划的支持。

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