“魔法角”三层石墨烯可以是罕见的磁体超导体

2021年7月30日

MIT物理学家具有在材料中的罕见类型超导称为魔角扭曲三层graphene.The结果强烈暗示魔角三层石墨烯,这是最初由同一组发现的观察到的迹象,是一种非常罕见的类型超导体,known as a “spin-triplet,” that is impervious to high magnetic fields.The new evidence of spin-triplet superconductivity in trilayer graphene could also help scientists design stronger superconductors for practical quantum computing.Jarillo-Herrero’s group was curious whether magic-angle trilayer graphene might harbor signs of this more unusual spin-triplet superconductivity.When the researchers applied a modest magnetic field, they noticed that trilayer graphene was able to superconduct at field strengths that would destroy superconductivity in bilayer graphene.

麻省理工学院的物理学家们已经观察到一种叫做魔角扭曲三层石墨烯的材料中存在一种罕见的超导现象。在今天发表在《自然》(Nature)杂志上的一项研究中,研究人员报告称,这种材料在高达10特斯拉(Tesla)的令人惊讶的高磁场下表现出超导性,这是该材料作为传统超导体所能承受的强度的三倍。

研究结果强烈表明,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“自旋三态”,它不受高磁场的影响。这种奇异的超导体可以极大地改善磁共振成像等技术,磁共振成像是利用磁场下的超导导线与生物组织共振并成像。目前,核磁共振成像机的磁场限制在1 ~ 3特斯拉。如果可以用自旋三重态超导体制造,核磁共振成像就可以在更高的磁场下工作,从而产生更清晰、更深入的人体图像。

新证据自旋三重态超导体在三层石墨烯还可以帮助科学家设计出更强的超导体实际量子计算。

“这个实验的价值是它告诉我们关于基本超导,有关材料如何表现,让这些经验教训,我们可以尝试以设计为这将是更容易制造等材料的原则,这或许可以给你更好超导,”巴勃罗Jarillo - 赫雷罗,塞西尔和麻省理工学院物理学井田格林教授说。

他的论文合著者包括麻省理工学院博士后曹原(Yuan Cao)和研究生朴郑敏(Jeong Min Park),以及日本国立材料科学研究所的渡边健二(Kenji Watanabe)和谷口隆(Takashi Taniguchi)。

奇怪的转变

超导材料是由他们的超高效又不失活力导电能力定义。当暴露于电流,电子在超导体耦联在“库珀对”其然后通过材料行进无阻力,像上的特快列车的乘客。

在绝大多数超导体中,这些乘客对具有相反的自旋,一个电子向上自旋,另一个向下自旋——这种结构被称为“自旋单线态”。除了在强磁场下,这些电子对可以愉快地通过超导体,因为在强磁场下,每个电子的能量会向相反的方向移动,使这对电子对分开。这样,并通过机制,高磁场可以破坏常规自旋单线态超导体的超导性。

“这是最终的原因,在一个足够大的磁场,超导消失,” Park说。

但是有一些奇异的超导体是不受磁场影响的,可以达到非常大的强度。这些材料可以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”。当暴露在强磁场下时,库珀对中的两个电子的能量会朝着同一个方向移动,这样它们就不会被拉开,而是继续保持超导状态,而不受磁场强度的影响。

Jarillo-Herrero的团队很好奇,魔法角三层石墨烯是否含有这种更不寻常的自旋三态超导性的迹象。该团队在石墨烯moiré结构的研究上取得了开创性的成果——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。

研究人员最初在石墨烯的两个成角度的板,它们被称为报道这样好奇属性魔角双层石墨烯。他们很快跟进测试三层石墨烯即原来3个的石墨烯片的夹层结构为比其对应的双层甚至更强,在较高温度下保持超导性。当研究人员采用了适度的磁场,他们发现石墨烯三层是能够在磁场强度会破坏超导在双层石墨烯超导。

“我们认为,这是一件非常奇怪的事情,”亚略-埃雷罗说。

一个超级复出

在他们的新研究中,物理学家测试了三层石墨烯在越来越高的磁场下的超导性。他们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。他们在材料的两端接上一个电极,让电流通过,并测量在此过程中损失的能量。然后,他们在实验室里打开了一个大磁铁,磁场方向与材料平行。

当他们增加三层石墨烯周围的磁场时,他们观察到超导性在消失前保持强到一定程度,但奇怪的是,之后又以更高的场强出现——这种恢复非常不寻常,而且已知在传统的自旋单线态超导体中不会发生。

“在自旋单线态超导体中,如果你杀死了超导性,它就再也不会回来了——永远不会回来了,”曹说。到了这里,它又出现了。所以这肯定说明这种材料不是自旋单线态。”

他们还观察到,经过“再进入,”超导持续高达10特斯拉,最高场强实验室的磁体可能产生。这比超导体应能承受什么,如果它是一个传统的自旋单高出约三倍,按照保利的限制,即预测的最大磁场是材料可以保持超导理论。

超导三层石墨烯的再现,在更高的磁场比预计,排除了该材料是运行的设施,工厂的超导体可能与它的持久性配对。相反,它可能是一个非常罕见的类型,可能是自旋三重态,托管库珀对通过材料,不受高磁场的速度。该小组计划向下钻取的材料,以确认其确切的自旋状态,这可能有助于通知功能更强大的核磁共振成像仪的设计,也更强大的量子计算机。

“常规的量子计算非常脆弱,”雅略-埃雷罗说。“你看着它,噗的一声,它消失了。大约20年前,理论家们提出了一种拓扑超导电性,如果在任何材料中实现,就能使量子计算机的状态非常稳定。这将给计算机带来无限的运算能力。实现这一点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不是那种类型。但即使不是这样,这也使得将三层石墨烯与其他材料一起设计那种超导电性变得更容易。这可能是一个重大突破。但现在还为时过早。”

这项研究是由能源美国能源部,国家科学基金会,戈登和贝蒂·摩尔基金会,基金会拉蒙·阿斯和CIFAR量子材料计划的支持。

这条消息的来源是麻省理工学院