新的發(fā)現(xiàn)可能有助于設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的核磁共振成像機(jī)或強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。

來(lái)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(jiàn)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(jiàn)的超導(dǎo)性跡象。在7月22日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告說(shuō)，這種材料在高達(dá) 10 特斯拉的驚人高磁場(chǎng)下表現(xiàn)出超導(dǎo)性，這比傳統(tǒng)超導(dǎo)體所預(yù)計(jì)的材料耐受力高出三倍。

這一結(jié)果強(qiáng)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(jiàn)的超導(dǎo)體，被稱為“自旋三態(tài)”，不受強(qiáng)磁場(chǎng)的影響。這種奇異的超導(dǎo)體可以極大地改進(jìn)磁共振成像等技術(shù)。磁共振成像是在磁場(chǎng)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(jī)目前只能在1到3特斯拉的磁場(chǎng)范圍內(nèi)工作。如果可以用自旋三重態(tài)超導(dǎo)體來(lái)制造，核磁共振成像就可以在更高的磁場(chǎng)下運(yùn)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(shí)際的量子計(jì)算設(shè)計(jì)更強(qiáng)的超導(dǎo)體。

帕布羅·賈里洛·埃雷羅說(shuō)：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值在于它教會(huì)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(jì)原理，也許可以給你更好的超導(dǎo)性?！保鳡柡桶_(dá)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(shí)，超導(dǎo)體中的電子以“庫(kù)珀對(duì)”的形式耦合在一起，然后就像快車(chē)上的乘客一樣，毫無(wú)阻力地穿過(guò)這種材料。

在絕大多數(shù)超導(dǎo)體中，這些客對(duì)具有相反的自旋，一個(gè)電子自旋向上，另一個(gè)自旋向下——這種構(gòu)型被稱為“自旋單線態(tài)”。除了在高磁場(chǎng)下，這些電子對(duì)能很好地通過(guò)超導(dǎo)體，因?yàn)楦叽艌?chǎng)會(huì)使每個(gè)電子的能量向相反的方向移動(dòng)，把電子對(duì)拉開(kāi)。通過(guò)這種方式，并通過(guò)某種機(jī)制，高磁場(chǎng)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(shuō):“這就是為什么在一個(gè)足夠大的磁場(chǎng)中，超導(dǎo)性會(huì)消失的終原因?！?/span>

但也有一些奇異的超導(dǎo)體不受磁場(chǎng)影響，強(qiáng)度很大。這些材料可以通過(guò)具有相同自旋的電子對(duì)進(jìn)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(chǎng)下時(shí)，庫(kù)珀對(duì)中的兩個(gè)電子的能量會(huì)向同一方向移動(dòng)，無(wú)論磁場(chǎng)強(qiáng)度如何，它們都不會(huì)被拉開(kāi)，而是繼續(xù)超導(dǎo)。

賈里洛·埃雷羅的團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)在石墨烯云紋結(jié)構(gòu)的研究方面做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作，即原子薄碳晶格層，當(dāng)以特定角度堆疊時(shí)，可以產(chǎn)生令人驚訝的電子行為。

研究人員初報(bào)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(jìn)行了三層石墨烯的測(cè)試，三層石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)甚至比雙層石墨烯更強(qiáng)，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(chǎng)時(shí)，他們注意到三層石墨烯能夠在磁場(chǎng)強(qiáng)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(shuō)。

超級(jí)復(fù)出

在他們的新研究中，物理學(xué)家們測(cè)試了三層石墨烯在越來(lái)越高的磁場(chǎng)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(duì)于外層旋轉(zhuǎn)1.56度，從而制造出這種材料。他們?cè)诓牧系膬啥诉B接一個(gè)電極，讓電流流過(guò)，并測(cè)量過(guò)程中損失的能量。然后他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里打開(kāi)一個(gè)大磁鐵，磁場(chǎng)方向與材料平行。

當(dāng)他們?cè)黾尤龑邮┲車(chē)拇艌?chǎng)時(shí)，他們觀察到超導(dǎo)性在消失之前保持了很強(qiáng)的一點(diǎn)，但奇怪的是，在更高的場(chǎng)強(qiáng)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(huì)回來(lái)了——它已經(jīng)永遠(yuǎn)消失了，”曹說(shuō)在這里，它再次出現(xiàn)。所以這肯定說(shuō)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(dǎo)性可以持續(xù)到10特斯拉，這是實(shí)驗(yàn)室磁體能產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)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(cè)材料保持超導(dǎo)性的磁場(chǎng)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(chǎng)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(jiàn)的類(lèi)型，可能是自旋三重態(tài)，承載著在材料中高速穿行的庫(kù)珀對(duì)，不受強(qiáng)磁場(chǎng)的影響。研究小組計(jì)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(jì)更強(qiáng)大的核磁共振成像機(jī)，以及更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。

“常規(guī)的量子計(jì)算非常脆弱，”賈里洛·埃雷羅說(shuō)?！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?fù)涑瑢?dǎo)電性，如果在任何材料中實(shí)現(xiàn)，就可以[使]量子計(jì)算機(jī)成為可能，在量子計(jì)算機(jī)中負(fù)責(zé)計(jì)算的狀態(tài)是非常強(qiáng)大的。這將為計(jì)算提供無(wú)限多的能力。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵因素是某種類(lèi)型的自旋三重態(tài)超導(dǎo)體。我們不知道我們的類(lèi)型是不是那種類(lèi)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(gè)重大突破。但現(xiàn)在還為時(shí)過(guò)早?！?/span>

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)能源部、美國(guó)科學(xué)基金會(huì)、戈登和貝蒂·摩爾基金會(huì)、拉蒙·阿雷斯基金會(huì)和CIFAR量子材料項(xiàng)目的支持。