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曹原第8篇《Nature》:按“魔角”扭曲的三层石墨烯,表现出罕见的抗磁超导性

前瞻网    2021-07-22 16:14

 

按“魔角”扭曲的三层石墨烯(MATTG),不仅有一个令人印象深刻的奇异名字,它还可能是一种特别罕见的超导体——从医疗设备到量子计算机,它可能在很多领域都能派上用场。

科学家们发现,将单原子层石墨烯以略微不同的角度叠加在一起,可以创造出具有令人兴奋的性能的新材料,这导致了最近发现的魔角扭曲三层石墨烯。

日前,曹原所在的研究团队发表一项新研究表明,这种材料可能是一种“自旋三重态”超导体——一种不受高磁场影响的超导体——这可能使它更加有用。这也是曹原石墨烯成果第8次登上《自然》(Nature)。

曹原第8篇《Nature》:按“魔角”扭曲的三层石墨烯,表现出罕见的抗磁超导性

超导材料非常受欢迎:它们可以在不损失热量的情况下导电,如果我们能让它们在正常温度下工作,这可能会给我们的电网、我们的便携式设备以及更多的东西带来革命性的变化。

通常,超导体中的电子以“库珀对”(Cooper pair)的形式配对——每对电子都有相反的自旋(一个向上,一个向下),就像特快列车中连接的乘客一样在材料中穿行。

这就是传统的自旋单线态。罕见的超导体是自旋三重态,这意味着电子具有相同的自旋。至关重要的是,这意味着强磁场不会让我们想象中的特快列车脱轨,因为两个电子的能量都朝着同一个方向移动。

通过一系列实验,该团队能够证明,在超过10特斯拉的磁场下,“魔角”扭曲三层石墨烯继续表现出超导体的特性——这是自旋单线态材料的预期性能的三倍。

更重要的是,超导性消失了,然后随着磁场强度的增加又回来了。麻省理工学院的物理学家曹原说:“在自旋单线态超导体中,如果你杀死了超导性,它就再也不会回来了——永远不会回来了。”到了这里,它又出现了。所以这肯定说明这种材料不是自旋单线态。”

大多数超导材料会在强磁场环境中失去超导性。然而近日,曹原所在的研究团队发现了这种新的超导材料,能在高达10特斯拉的强磁场下保持超导性——这非常让人惊叹。

目前,仍需要更多的研究,来检查这种特殊类型的石墨烯中电子的自旋状态。但早期的结果非常有希望,对科学家来说非常令人兴奋。

研究人员表示,这种新材料的抗磁超导性可以极大地改进磁共振成像(MRI)技术:如果这些机器能在更高的磁场下工作,它们就能产生更详细的图像。但目前,这种材料仍需要在实验室中保持超导体的超低温。

这种材料及其稀有的特性也为未来的量子计算研究提供了希望。实现实用可行的量子计算机前景的一个关键问题是提高它们的稳定性——某种类型的自旋三重态超导体可能对此有所帮助。

“我们不知道我们的类型是不是那种类型,”麻省理工物理学家Pablo Jarillo-Herrero说。“但即使不是这样,这也使得将三层石墨烯与其他材料一起设计那种超导性变得更容易。这可能是一个重大突破。但现在还为时过早。”

这项研究7月21日发表在《自然》(Nature)杂志上。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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