Nature专家之见：强磁场中石墨烯的超导性

尚志者王 3年前 (2021-07-30) 7459浏览

【引言】

近日，美国圣母大学的殷亚东Yi-Ting Hsu教授，在顶级期刊Nature上发表了一篇题为 “Superconductivity survives a strong magnetic field” 的观点性文章。文章分析了魔力角扭转的三层石墨烯材料系统表现出的超导性，这种超导性在强磁场下可持续存在。相关研究直接促进了量子计算的发展。

【该研究领域的简介】

被称为超导体的物质的量子相以零电阻传输电流。从微观上讲，这种现象源于这样一个科学基础：电子结合成两个电子态（称为库珀对）在能量上是有利的，它们作为一个整体移动而不会损失能量。当一个库珀对的两个电子自旋（内在角动量）指向相反的方向并且该对的总自旋为零时，就说它是自旋单重态的，而自旋-三重态库珀对的总自旋为 1，并且两个电子自旋可以在同一方向上排列。大多数实验上证明了超导体都有自旋-单线态库珀对，其中包括表现出传统超导性的金属（例如铅和铌），以及表现出非常规超导性的铜酸盐（层状氧化铜化合物）。

二维自旋三重态超导体引起了广泛的关注，很多材料被预测具有称为马约拉纳零模式的奇异零能量激发。这种超导体的一个经过充分研究的例子是二维手性 p 波超导体。该系统打破了时间反转对称性（如果时间方向反转，其物理特性会发生变化），并且当磁场垂直施加于涡旋（磁通量线）的核心中时，预计马约拉纳零模式存在系统。马约拉纳零模式是拓扑量子位的有希望的候选者，可成为拓扑量子计算的“容错”量子计算的构建块。鉴于大多数已知的自旋三重态超导体是 3D 的，因此非常需要通过实验建立的2D自旋三重态超导体。

【该研究领域的发展】

在过去的四年里，科学家们开始探索由堆叠但略微错位的石墨烯层组成的准二维系统——单片六边形排列的碳原子。这种系统迅速引起了人们的关注，因为它们可以通过实验轻松调整并拥有丰富多样的相关量子相。在扭曲的三层石墨烯中已经发现了超导性，其中包括三个堆叠的石墨烯层，其中顶层和底层相对于中间层分别以 θ 和-θ 的角度旋转（图 1）。通过调整 θ 的值，可以在从电子基本上彼此弱耦合的状态到它们强耦合的状态的范围内研究扭曲三层石墨烯的物理学。曹原等人发现，当 θ 等于大约 1.6° 的“魔幻”角时，扭曲的三层石墨烯系统进入强耦合状态的角度，并在这种魔力角扭曲的三层石墨烯 (MATTG) 中观察到了超导性，并研究了这种超导性的自旋特性。具体来说，在低温（低至 1 K以下）下测量了 MATTG 的电阻并发现了零电阻阶段。然后，将磁场施加到石墨烯层平面中的 MATTG，并确定了观察到的超导性消失的临界场强。超导性在接近 10 T 的高临界场强下仍能存在，这对于自旋单线态超导体来说是预料不到的。

磁场与超导体中库珀对的轨道角动量和自旋耦合，当对二维超导体施加强面内场时，轨道效应可以忽略不计。然而，在称为“泡利极限”的场强之上，自旋效应往往会导致自旋-单库珀对分离，因为塞曼效应会导致自旋指向同一方向（图 1）。相比之下，电子自旋在平行于场的单个方向上对齐的自旋三库珀对与这种自旋效应兼容，并且不受泡利极限的限制。曹原等人测量的面内临界场强，MATTG 是泡利极限的两到三倍，被认为是自旋三重态超导性的证据。曹及其同事还检测到第二个超导相，它存在于比第一个更高的面内磁场强度中，继续超过 10 T。基于MATTG在场强增大时的电阻行为与场强减小时的电阻行为的比较，作者认为两相可能通过称为一阶相变的相变连接。这种“重入”超导性让人想起在一些 3D 自旋三线态超导体中观察到的现象，例如铀铑锗，和碲化铀，以及自旋三线态超流体（零粘度液体）氦。这种相似性可能暗示了 MATTG 中两个超导相的性质。

MATTG准二维自旋三重态超导证据为非常规超导体提供了实验基础，除了自旋-三重态库珀对之外，高平面的临界场强通常可以通过多种方式发展。然而，由于石墨烯中电子的自旋和轨道角动量之间的耦合可以忽略不计，因此这些来源不太可能发生在 MATTG 中。需要进一步的测量来显示 MATTG 中库珀对的轨道结构是否与自旋三重态超导性一致。

【展望】

该领域的关键是，自旋三重态并不意味着观察到的超导性对拓扑量子计算有用。 未来的工作需要研究超导的拓扑特性，研究人员应该确定它是否打破了时间反转对称性——可能的手性 p 波超导性的迹象。研究人员更应该寻找涡核中零能态的直接证据，表明马约拉纳零模式的存在。从这些研究中获得的理解可以帮助物理学家开发有前途的拓扑量子计算平台。

【相关研究】

  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).

文献链接：Superconductivity survives a strong magnetic field（Nature，2021，DOI：10.1038/d41586-021-01890-3）

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