25岁曹原的第8篇Nature,或为拓扑量子计算打开大门,但仍需进一步验证

百家 作者:大数据文摘 2021-07-24 19:45:56 阅读:298

大数据文摘授权转载自学术头条

作者:库珀

编审:寇建超


近日,麻省理工学院的物理学家们在一种叫做魔角扭曲三层石墨烯(MATTG)的材料中观察到了罕见的超导现象,论文于 7 月 22 日发表在 Nature 杂志上,研究人员报告说,这种材料在高达 10 特斯拉的高磁场下表现出超导电性,比传统超导体材料的相关性能高出 3 倍。


该发现有望极大地改善磁共振成像等技术应用,而且三层石墨烯自旋三重态超导电性的新证据也可能帮助科学家们设计更强的超导体,用于实际的量子计算。


论文的第一作者,是被称为天才少年的 95 后石墨烯大神曹原,2018 年 12 月 18 日,他曾荣登 Nature 2018 年度影响世界的十大科学人物榜首,这项最新发表的研究已经是他科研生涯中的第 8 篇 Nature 文章,仅在 2021 年上半年他就已经接连发表了 3 篇 Nature 文章和 1 篇 Science 文章,“石墨烯驾驭者(Graphene Wrangler)” 的称号名副其实。


图|麻省理工学院的物理学家在一种叫做 “魔角” 扭曲三层石墨烯的材料中观察到了一种罕见的超导现象。

 

“本实验的价值在于它教给我们基本的超导性,教给我们材料是如何工作的,这样我们就可以从中吸取教训,为其他更容易制造的材料设计原理,也许可以创造出更好的超导性。” 论文的通讯作者之一、麻省理工学院物理学教授 Pablo Jarillo-Herrero 表示。


神奇的 “自旋三重态”


超导材料被定义为超高效的导电能力而不损失能量。当暴露在电流中时,超导体中的电子会以 “库珀对” 的形式耦合起来,然后无电阻地穿过材料,就像乘坐快车的 “乘客” 一样。


在绝大多数超导体中,库珀对有相反的自旋效应,一个电子向上自旋,另一个向下自旋,这种结构被称为 “自旋单态”。但如果在高磁场下,这些电子对通过超导体时,高磁场可以将每个电子的能量转移到相反的方向,把他们分开,所以基于这种机制,强磁场可以破坏传统自旋单重态超导体的超导电性,这也是为什么在足够大的磁场中,超导性会消失的根本原因。


但大千世界无奇不有,少数奇特的超导体是不受磁场影响的,抗磁强度非常大,这些材料会通过一对自旋相同的电子进行超导,其特性被称为 “自旋三重态”。当暴露在强磁场中时,库珀对中的两个电子的能量会向同一方向移动,这样它们就不会被拉开,而是继续超导不受干扰,不管磁场强度如何。


长期研究石墨烯材料的曹原和团队很好奇魔角三层石墨烯是否有这种不寻常的自旋三重态超导迹象。他们在石墨烯研究方面做出了很多开创性的工作,如原子薄碳晶格层,当以特定角度堆叠时,可以产生令人惊讶的超导现象。


在曹原发表的过往 Nature 文章中,研究人员多次验证了两片夹角的石墨烯层的各种奇异特性,他们称之为魔角双层石墨烯,而三层石墨烯的三明治结构要比双层石墨烯更加坚固,在更高的温度下可保持超导性,且当研究人员施加适度的磁场时,他们注意到三层石墨烯还能够在高磁场强度下保持超导,这个发现就像打开了一扇科研新大门。


图|扭曲三层石墨烯的超导性,(来源:Nature)


三层石墨烯叠加,1.56° 夹角的魔力


研究人员从一块石墨上剥离出原子薄的碳层(石墨烯),将三层碳层堆叠在一起,其相对旋转角 θ 约为 1.56°,从而制造出这种材料。他们在材料的两端连接一个电极,让电流流过,并测量过程中损失的能量。然后在实验室里打开一个大磁铁,磁场方向与材料平行。


当他们增加三层石墨烯周围的磁场时,他们观察到超导性在消失之前保持了很强的一点,但奇怪的是在更高的场强下再次出现 —— 这是非比寻常的发现,而且在传统的自旋单重态超导体中是不已知的。


图|高磁场环境下 MATTG 的超导电性(来源:Nature)

 

“在自旋单线态超导体中,如果你扼杀了超导性,它就永远不会回来 —— 它永远消失了。” 曹原对外表示,“但在这里,它再次出现了。所以这肯定说明该材料不是自旋单线态。”


研究人员还观察到,在 “超导特性” 重返后,能够承受高达 10 特斯拉的磁场强度,这是实验室磁铁所能产生的最大场强。根据泡利极限理论,这比传统的自旋单重态超导材料所能承受的磁场要高出 3 倍,泡利极限理论可预测材料保持超导电性所需的最大磁场。

 

三层石墨烯的超导性再现,再加上其在比预期更高磁场下的持久性,排除了这种材料是普通超导体的可能性。

 

相反,它很可能是一种非常罕见的类型,可能有 “自旋三重态” 特性,承载着在材料中高速穿行的库珀对,不受强磁场的影响。研究小组计划深入研究这种材料,以确认其确切的自旋状态,这可能有助于设计更强大的核磁共振成像机,以及更强大的量子计算机。

 

“常规的量子计算是非常脆弱的。”Jarillo Herrero 表示。

 

大约 20 年前,科学界和物理理论学家们提出了一种拓扑超导电性,如果在任何材料中得以实现,就可以使状态非常健壮的量子计算机成为可能,而实现这一点的关键因素是某种类型的自旋三重态超导体。


但还需更多验证


针对这项研究,美国圣母大学物理系专家 Yi Ting Hsu 评论称,报道的 MATTG 中准 2D 自旋三重态超导电性的证据为可以实验操控的非常规超导体铺平了道路。


但是,由于石墨烯中电子的自旋角动量和轨道角动量之间的耦合可以忽略不计,因此还需要进一步的测量来证明 MATTG 材料中库珀对的轨道结构是否与自旋三重态超导电性相一致。

 

关键是,自旋三重态并不意味着观测到的超导电性将有助于拓扑量子计算。


未来,研究人员还需要进一步研究 MATTG 超导的拓扑性质。例如,研究人员应该确定它是否破坏了时间反转对称性 —— 这是一种可能的超导体特殊迹象,他们还应该寻找涡核中零能态的直接证据等等,从这些研究中获得的理解,有望帮助物理学家们开发有前途的拓扑量子计算平台。


参考资料:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03685-y
https://www.nature.com/articles/d41586-021-01890-3



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