魔角石墨烯的相关研究再发 Nature，这一次的论文作者又是麻省理工学院（MIT）曹原及其团队。这已经是他在 Nature 发的第 8 篇论文，距离上次发表 Science 仅过去 3 个月。
图丨曹原（来源：MIT）
7 月 21 日，曹原以第一作者及通讯作者的身份，以《莫尔石墨烯中的泡利极限破坏和重入超导性》（Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene）为题发表在 Nature。
清华大学物理系副教授张定告诉 DeepTech，从这几年二维超导中具有超过泡利极限的临界磁场这一特性的发展线路来看，人们的认识经过了几次变革。
一开始大家普遍认为，临界磁场超过泡利极限的首要条件是需要有很强的自旋轨道耦合外加中心反演对称性的破缺；后来，清华相关团队以及北大王健老师的研究指出，需要自旋轨道耦合但是第二个条件 — 中心反演对称破缺可以不需要；现在，曹原团队的这项研究把第一个条件也破除了。
他认为，该研究推测有可能是魔角石墨烯中出现了一种叫 “自旋三重态” 的罕见超导体，并且不受磁场影响。一个证据是很强的面内临界磁场，另一个是出现了一个高磁场下的新超导态。而这些现象，在此之前只在一些自旋三重态的超导中看到过。
图丨魔角石墨烯的超导效应示意图（来源：MIT）
在该研究中，研究人员在魔角扭曲的三层石墨烯（magic-angle twisted trilayer graphene，MATTG）中发现了 “让人意外” 的超导现象，这对于常态下不具有强自旋轨道耦合的系统来说，是个意想不到的观察结果。
研究人员报告称，“当 θ 等于大约 1.6° 的‘魔角’时，MATTG 在低温（低至 1 开尔文）下电阻为零，变为超导体，具有非常规特性。并且，这种材料在高达 10 特斯拉（T）的高磁场下仍表现出超导性，这远远超过了单重态电子库珀对能达到的效果，比经典自旋单重态超导体所预测的材料所能承受的磁场高出 2-3 倍。”
“反常” 的防磁超导体：强磁场条件中仍能稳定存在
在了解 “自旋三重态” 之前，我们先聊聊 “自旋单态”。
自旋单态是指，在绝大多数超导体中，库珀对的自旋被强制固定在相反的方向，即一个电子向上旋转，另一个向下旋转。然而在高磁场条件下，当磁场引入的涡旋效应可以忽略时，磁场还可以将每个电子的自旋最终 “拧到” 外加磁场的方向，从而破坏自旋单态，超导就不存在了。
曹原对媒体表示，“在自旋单线态超导体中，如果你杀死超导，它就永远消失了，而这里，它又出现了。所以，肯定说明这种材料不是自旋单态。”
图丨高面内磁场下 MATTG 的超导性（来源：Nature）
但是，也存在一些对磁场 “无动于衷” 的超导体，这种材料利用相同自旋的电子对实现超导，这种特性被称为 “自旋三重态”。库珀对在强磁场条件下，其两个电子的能量朝相同方向移动，并且不受磁场强度影响及干扰。
对于这种现象，张定表示，需要注意的是，这里的临界磁场本身针对石墨烯这个体系很大。但是，从强磁场应用角度，目前工业生产的超导线材可以轻松地达到该水平，而且对于石墨烯（包括其它二维超导），外磁场只能限定在平面内的时候才有效。
图丨 MATTG 中的大泡利极限违规（来源：Nature）
最初，研究人员 “魔角双层石墨烯” 中报告了这种特性，随后，他们马上跟进了三层石墨烯的测试。结果证明，它们比双层石墨烯更坚固，并且在更高温条件下也能保持其超导性。研究人员发现，当他们测试不同磁场，这种 “三明治” 结构能破坏双层石墨烯超导性的场强实现超导。在研究过程中，他们还注意到，其超导性已达到实验室磁铁可以产生的最大场强 —— 10T。
对于该研究的发展空间，张定表示，对于三重态的实验探测技术基本上都是针对大尺寸单晶样品的，如果要进一步实验去验证魔角三层石墨烯中三重态的存在会很有技术挑战性。
或将有助于设计更强大的 MRI 机器或量子计算机
对于该实验的价值，MIT 物理学教授、曹原导师巴勃罗・贾里洛・埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）表示，“这个实验的价值在于它教会了我们关于基本超导性，关于材料如何表现的知识。所以，有了这些经验，我们可以尝试为其他更容易制造的材料设计原理，这可能带来更好的超导性。”
图丨传统超导体的自旋单线态和魔角扭曲三层石墨烯的自旋三重态（来源：Nature）
研究团队表示，“这种奇特的超导体可以大大提高的技术，如磁共振成像（MRI），它使用超导线上一个下磁场与共振和图像生物组织。目前，MRI 机器仅限于 1 到 3 T 的磁场。如果它们可以用自旋三重态超导体制成，那么 MRI 就可以在更高的磁场下运行，从而产生更清晰、更深的人体图像。”
该团队透露，“将计划深入研究该材料以确认其确切的自旋状态，这有助于为更强大的 MRI 机器和更强大的量子计算机的设计提供信息。”
“大约 20 年前，理论家提出了一种拓扑超导性，如果在任何材料中实现，就可以启用量子计算机，其中负责计算的状态非常强大。那将赋予无限更多的能力来进行计算。实现这一点的关键因素是某种类型的自旋三重态超导体 。我们不知道我们的材料是否属于那种类型。但即使不是，这也可以使它更容易将三层石墨烯 与其他材料结合来设计这种超导性 。这也许是一个重大突破，但现在还太早。” 埃雷罗说。
张定认同其说法，“埃雷罗教授的说法很中肯，该材料可能应用到拓扑超导进而实现拓扑超导构筑的量子比特，但现在离这个目标还比较遥远。”
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参考：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03685-y
https://news.mit.edu/2021/magic-trilayer-graphene-superconductor-magnet-0721
https://phys.org/news/2021-07-magic-angle-trilayer-graphene-rare-magnet-proof.html
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