新的發(fā)現(xiàn)可能有助于設(shè)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(xué)院新聞辦公室

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)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(dǎo)現(xiàn)象。

圖片：由研究人員提供

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)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(dǎo)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(dǎo)性，這比傳統(tǒng)超導(dǎo)體所預(yù)計的材料耐受力高出三倍。

這一結(jié)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(dǎo)體，被稱為“自旋三態(tài)”，不受強磁場的影響。這種奇異的超導(dǎo)體可以極大地改進磁共振成像等技術(shù)。磁共振成像是在磁場下使用超導(dǎo)導(dǎo)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(nèi)工作。如果可以用自旋三重態(tài)超導(dǎo)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(dǎo)性的新證據(jù)也可以幫助科學(xué)家為實際的量子計算設(shè)計更強的超導(dǎo)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(dǎo)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(xùn)，嘗試為其他更容易制造的材料設(shè)計原理，也許可以給你更好的超導(dǎo)性。”，塞西爾和艾達格林是麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授。

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

奇怪的轉(zhuǎn)變

超導(dǎo)材料的定義是它們能在不損失能量的情況下超高效地導(dǎo)電。當(dāng)暴露在電流下時，超導(dǎo)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(dǎo)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(gòu)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(dǎo)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(dǎo)體的超導(dǎo)性脫軌。

帕克說:“這就是為什么在一個足夠大的磁場中，超導(dǎo)性會消失的終原因。”

但也有一些奇異的超導(dǎo)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(dǎo)，這種特性被稱為“自旋三重態(tài)”。當(dāng)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(dǎo)。

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(dǎo)的跡象。該團隊在石墨烯云紋結(jié)構(gòu)的研究方面做出了開創(chuàng)性的工作，即原子薄碳晶格層，當(dāng)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(zhì)，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(jié)構(gòu)甚至比雙層石墨烯更強，在更高的溫度下保持超導(dǎo)性。當(dāng)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(dǎo)體，這將破壞雙層石墨烯的超導(dǎo)性。

“我們認(rèn)為，這是一件非常奇怪的事情，”賈里洛·埃雷羅說。

超級復(fù)出

在他們的新研究中，物理學(xué)家們測試了三層石墨烯在越來越高的磁場下的超導(dǎo)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(zhuǎn)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(dāng)他們增加三層石墨烯周圍的磁場時，他們觀察到超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體中并不存在。

“在自旋單重態(tài)超導(dǎo)體中，如果你扼殺了超導(dǎo)性，它就再也不會回來了——它已經(jīng)永遠(yuǎn)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)。”

他們還觀察到，在“重返大氣層”后，超導(dǎo)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(dǎo)體所能承受的三倍。泡利極限理論是一種預(yù)測材料保持超導(dǎo)性的磁場的理論。

三層石墨烯的超導(dǎo)性再現(xiàn)，再加上其在比預(yù)期更高磁場下的持久性，排除了這種材料是普通超導(dǎo)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(rèn)其確切的自旋狀態(tài)，這可能有助于設(shè)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。“你看著它，噗的一聲，它消失了。大約20年前，理論家們提出了一種拓?fù)涑瑢?dǎo)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(fù)責(zé)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(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(dǎo)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。”

這項研究得到了美國能源部、美國科學(xué)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。