新的發(fā)現(xiàn)可能有助于設計更強大的核磁共振成像機或強大的量子計算機。

來自：Jennifer Chu，麻省理工學院新聞辦公室

麻省理工學院的物理學家在一種被稱為“魔角”扭曲三層石墨烯的材料中觀察到一種罕見的超導現(xiàn)象。

圖片：由研究人員提供

麻省理工學院的物理學家在一種稱為魔角扭曲三層石墨烯的材料中觀察到了一種罕見的超導性跡象。在7月22日發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，研究人員報告說，這種材料在高達 10 特斯拉的驚人高磁場下表現(xiàn)出超導性，這比傳統(tǒng)超導體所預計的材料耐受力高出三倍。

這一結果強烈表明，初由同一小組發(fā)現(xiàn)的魔角三層石墨烯是一種非常罕見的超導體，被稱為“自旋三態(tài)”，不受強磁場的影響。這種奇異的超導體可以極大地改進磁共振成像等技術。磁共振成像是在磁場下使用超導導線與生物組織共振并成像。核磁共振成像機目前只能在1到3特斯拉的磁場范圍內工作。如果可以用自旋三重態(tài)超導體來制造，核磁共振成像就可以在更高的磁場下運行，產(chǎn)生更清晰、更深的人體圖像。

三層石墨烯中自旋三重態(tài)超導性的新證據(jù)也可以幫助科學家為實際的量子計算設計更強的超導體。

帕布羅·賈里洛·埃雷羅說：“這個實驗的價值在于它教會了我們基本的超導性，告訴我們材料是如何工作的，這樣我們就可以從中吸取教訓，嘗試為其他更容易制造的材料設計原理，也許可以給你更好的超導性?！?，塞西爾和艾達格林是麻省理工學院的物理學教授。

這篇論文的合著者包括麻省理工學院博士后曹原和研究生樸正民，以及日本材料科學研究所的渡邊健二和谷口隆二。

奇怪的轉變

超導材料的定義是它們能在不損失能量的情況下超高效地導電。當暴露在電流下時，超導體中的電子以“庫珀對”的形式耦合在一起，然后就像快車上的乘客一樣，毫無阻力地穿過這種材料。

在絕大多數(shù)超導體中，這些客對具有相反的自旋，一個電子自旋向上，另一個自旋向下——這種構型被稱為“自旋單線態(tài)”。除了在高磁場下，這些電子對能很好地通過超導體，因為高磁場會使每個電子的能量向相反的方向移動，把電子對拉開。通過這種方式，并通過某種機制，高磁場可以使傳統(tǒng)自旋單線態(tài)超導體的超導性脫軌。

帕克說:“這就是為什么在一個足夠大的磁場中，超導性會消失的終原因?！?/span>

但也有一些奇異的超導體不受磁場影響，強度很大。這些材料可以通過具有相同自旋的電子對進行超導，這種特性被稱為“自旋三重態(tài)”。當暴露在高磁場下時，庫珀對中的兩個電子的能量會向同一方向移動，無論磁場強度如何，它們都不會被拉開，而是繼續(xù)超導。

賈里洛·埃雷羅的團隊很好奇魔角三層石墨烯是否有這種更不尋常的自旋三重態(tài)超導的跡象。該團隊在石墨烯云紋結構的研究方面做出了開創(chuàng)性的工作，即原子薄碳晶格層，當以特定角度堆疊時，可以產(chǎn)生令人驚訝的電子行為。

研究人員初報道了兩片夾角的石墨烯具有如此奇特的性質，他們稱之為幻角雙層石墨烯。他們很快又進行了三層石墨烯的測試，三層石墨烯的三明治結構甚至比雙層石墨烯更強，在更高的溫度下保持超導性。當研究人員施加適度的磁場時，他們注意到三層石墨烯能夠在磁場強度下超導體，這將破壞雙層石墨烯的超導性。

“我們認為，這是一件非常奇怪的事情，”賈里洛·埃雷羅說。

超級復出

在他們的新研究中，物理學家們測試了三層石墨烯在越來越高的磁場下的超導性。他們從一塊石墨上剝離出原子薄的碳層，將三層碳層堆疊在一起，并將中間層相對于外層旋轉1.56度，從而制造出這種材料。他們在材料的兩端連接一個電極，讓電流流過，并測量過程中損失的能量。然后他們在實驗室里打開一個大磁鐵，磁場方向與材料平行。

當他們增加三層石墨烯周圍的磁場時，他們觀察到超導性在消失之前保持了很強的一點，但奇怪的是，在更高的場強下，超導性又重新出現(xiàn)了——這是非常不尋常的，而且在傳統(tǒng)的自旋單重態(tài)超導體中并不存在。

“在自旋單重態(tài)超導體中，如果你扼殺了超導性，它就再也不會回來了——它已經(jīng)永遠消失了，”曹說在這里，它再次出現(xiàn)。所以這肯定說明這種材料不是自旋單線態(tài)?！?/span>

他們還觀察到，在“重返大氣層”后，超導性可以持續(xù)到10特斯拉，這是實驗室磁體能產(chǎn)生的磁場強度。根據(jù)泡利極限理論，這大約是傳統(tǒng)自旋單線態(tài)超導體所能承受的三倍。泡利極限理論是一種預測材料保持超導性的磁場的理論。

三層石墨烯的超導性再現(xiàn)，再加上其在比預期更高磁場下的持久性，排除了這種材料是普通超導體的可能性。相反，它很可能是一種非常罕見的類型，可能是自旋三重態(tài)，承載著在材料中高速穿行的庫珀對，不受強磁場的影響。研究小組計劃深入研究這種材料，以確認其確切的自旋狀態(tài)，這可能有助于設計更強大的核磁共振成像機，以及更強大的量子計算機。

“常規(guī)的量子計算非常脆弱，”賈里洛·埃雷羅說?！澳憧粗?，噗的一聲，它消失了。大約20年前，理論家們提出了一種拓撲超導電性，如果在任何材料中實現(xiàn)，就可以[使]量子計算機成為可能，在量子計算機中負責計算的狀態(tài)是非常強大的。這將為計算提供無限多的能力。實現(xiàn)這一目標的關鍵因素是某種類型的自旋三重態(tài)超導體。我們不知道我們的類型是不是那種類型。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性變得更容易。這可能是一個重大突破。但現(xiàn)在還為時過早?！?/span>

這項研究得到了美國能源部、美國科學基金會、戈登和貝蒂·摩爾基金會、拉蒙·阿雷斯基金會和CIFAR量子材料項目的支持。