Nature專家之見：強磁場中石墨烯的超導性

尚志者王 2年前 (2021-07-30) 6967瀏覽

【引言】

近日，美國圣母大學的殷亞東Yi-Ting Hsu教授，在頂級期刊?Nature上發表了一篇題為 “Superconductivity survives a strong magnetic field” 的觀點性文章。文章分析了魔力角扭轉的三層石墨烯材料系統表現出的超導性，這種超導性在強磁場下可持續存在。相關研究直接促進了量子計算的發展。

【該研究領域的簡介】

被稱為超導體的物質的量子相以零電阻傳輸電流。從微觀上講，這種現象源于這樣一個科學基礎：電子結合成兩個電子態（稱為庫珀對）在能量上是有利的，它們作為一個整體移動而不會損失能量。當一個庫珀對的兩個電子自旋（內在角動量）指向相反的方向并且該對的總自旋為零時，就說它是自旋單重態的，而自旋-三重態庫珀對的總自旋為 1，并且兩個電子自旋可以在同一方向上排列。大多數實驗上證明了超導體都有自旋-單線態庫珀對，其中包括表現出傳統超導性的金屬（例如鉛和鈮），以及表現出非常規超導性的銅酸鹽（層狀氧化銅化合物）。

 

二維自旋三重態超導體引起了廣泛的關注，很多材料被預測具有稱為馬約拉納零模式的奇異零能量激發。這種超導體的一個經過充分研究的例子是二維手性 p 波超導體。該系統打破了時間反轉對稱性（如果時間方向反轉，其物理特性會發生變化），并且當磁場垂直施加于渦旋（磁通量線）的核心中時，預計馬約拉納零模式存在系統。馬約拉納零模式是拓撲量子位的有希望的候選者，可成為拓撲量子計算的“容錯”量子計算的構建塊。鑒于大多數已知的自旋三重態超導體是 3D 的，因此非常需要通過實驗建立的2D自旋三重態超導體。

【該研究領域的發展】

在過去的四年里，科學家們開始探索由堆疊但略微錯位的石墨烯層組成的準二維系統——單片六邊形排列的碳原子。這種系統迅速引起了人們的關注，因為它們可以通過實驗輕松調整并擁有豐富多樣的相關量子相。在扭曲的三層石墨烯中已經發現了超導性，其中包括三個堆疊的石墨烯層，其中頂層和底層相對于中間層分別以 θ 和-θ 的角度旋轉（圖 1）。通過調整 θ 的值，可以在從電子基本上彼此弱耦合的狀態到它們強耦合的狀態的范圍內研究扭曲三層石墨烯的物理學。曹原等人發現，當 θ 等于大約 1.6° 的“魔幻”角時，扭曲的三層石墨烯系統進入強耦合狀態的角度，并在這種魔力角扭曲的三層石墨烯 (MATTG) 中觀察到了超導性，并研究了這種超導性的自旋特性。具體來說，在低溫（低至 1 K以下）下測量了 MATTG 的電阻并發現了零電阻階段。然后，將磁場施加到石墨烯層平面中的 MATTG，并確定了觀察到的超導性消失的臨界場強。超導性在接近 10 T 的高臨界場強下仍能存在，這對于自旋單線態超導體來說是預料不到的。

磁場與超導體中庫珀對的軌道角動量和自旋耦合，當對二維超導體施加強面內場時，軌道效應可以忽略不計。然而，在稱為“泡利極限”的場強之上，自旋效應往往會導致自旋-單庫珀對分離，因為塞曼效應會導致自旋指向同一方向（圖 1）。相比之下，電子自旋在平行于場的單個方向上對齊的自旋三庫珀對與這種自旋效應兼容，并且不受泡利極限的限制。曹原等人測量的面內臨界場強，MATTG 是泡利極限的兩到三倍，被認為是自旋三重態超導性的證據。曹及其同事還檢測到第二個超導相，它存在于比第一個更高的面內磁場強度中，繼續超過 10 T。基于MATTG在場強增大時的電阻行為與場強減小時的電阻行為的比較，作者認為兩相可能通過稱為一階相變的相變連接。這種“重入”超導性讓人想起在一些 3D 自旋三線態超導體中觀察到的現象，例如鈾銠鍺，和碲化鈾，以及自旋三線態超流體（零粘度液體）氦。這種相似性可能暗示了 MATTG 中兩個超導相的性質。

MATTG準二維自旋三重態超導證據為非常規超導體提供了實驗基礎，除了自旋-三重態庫珀對之外，高平面的臨界場強通常可以通過多種方式發展。然而，由于石墨烯中電子的自旋和軌道角動量之間的耦合可以忽略不計，因此這些來源不太可能發生在 MATTG 中。需要進一步的測量來顯示 MATTG 中庫珀對的軌道結構是否與自旋三重態超導性一致。

【展望】

該領域的關鍵是，自旋三重態并不意味著觀察到的超導性對拓撲量子計算有用。 未來的工作需要研究超導的拓撲特性，研究人員應該確定它是否打破了時間反轉對稱性——可能的手性 p 波超導性的跡象。研究人員更應該尋找渦核中零能態的直接證據，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家開發有前途的拓撲量子計算平臺。

 

【相關研究】

  1. Cao, Y., Park, J. M., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo-Herrero, P.?Nature595, 526–531 (2021).
  2. Cao, Y.?et al.Nature556, 43–50 (2018).
  3. Cao, Y.?et al.Nature556, 80–84 (2018).
  4. Park, J. M., Cao, Y., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo-Herrero, P.?Nature590, 249–255 (2021).
  5. Hao, Z.?et al.Science371, 1133–1138 (2021).
  6. Ran, S.?et al.Nature Phys.15, 1250–1254 (2019).

 

文獻鏈接：Superconductivity survives a strong magnetic field（Nature，2021，DOI： 10.1038/d41586-021-01890-3）

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