發完Science后三個月95后天才少年曹原再發Nature

　　剛剛，95后石墨烯大神曹原又在《Nature》上發表了關于魔角石墨烯的最新研究成果，迎來了自己人生中第八篇《Nature》！而這距離他上一次發表《Science》僅僅三個月左右的時間。

　　從2018年發現魔角石墨烯以來，這位NS（Nature/Science）狂魔已經發了8篇Nature、1篇Science! 其中，僅2021年上半年便已經發表了3篇Nature+1篇Science，發表間隔時間最長不過一個月，最短僅一周左右，如此密集的豐碩成果，令人難以想象！

曹原第八篇《Nature》：發現能夠在強磁場中存在的罕見超導現象

　　2021年7月21日，曹原再次以第一作者+通訊作者的身份，在《Nature》發表了題為“Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene”的論文。

　　在該研究中，曹原等人在魔角扭曲的三層石墨烯（magic-angle twisted trilayer graphene，MATTG）材料中觀察到一種罕見的超導現象。研究發現，當 θ 等于大約 1.6° 的“魔幻”角時，MATTG在低溫（低至1開爾文）下電阻為零，變為超導體。令人驚訝的是，MATTG在高達 10 特斯拉的驚人高磁場下仍然表現出超導性，這比傳統超導體所預測的材料所能承受的磁場高出三倍!

圖1. 魔角扭曲三層石墨烯中罕見的自旋三重態超導現象。

　　曹原表示，該研究中發現的魔角三層石墨烯是一種非常罕見的超導體，被稱為“自旋三重態”，不受強磁場的影響。這種奇異的超導體可以極大地改進磁共振成像（MRI）技術。目前，MRI 機器僅限于 1 到 3 特斯拉的磁場。如果它們可以用自旋三重態超導體制造，那么 MRI 就可以在更高的磁場下運行，以產生更清晰、更深的人體圖像。

　　此外，三層石墨烯中自旋三重態超導性的新證據也可以幫助科學家設計更強大的超導體，以用于實際量子計算。

　　自旋單線態超導VS. 自旋三重態超導

　　所謂超導體，是指在不損失能量的情況下具有高效的導電能力，以零電阻傳輸電流。從微觀上講，當暴露在電流中時，超導體中的電子會以“庫珀對”的形式耦合，然后集體和協作地移動，在沒有阻力的情況下穿過材料，從而不會損失能量。

　　在絕大多數超導體中，這些“庫珀對”具有相反的自旋（內在角動量），一個電子向上旋轉，另一個向下旋轉，總自旋為零，這種配置被稱為“自旋單線態”。這些電子對通過超導體愉快地加速，除非在高磁場下，它可以將每個電子的能量向相反的方向移動，從而將電子對拉開。也就是說，強磁場可以破壞傳統自旋單線態超導體的超導性。這就是為什么在足夠大的磁場中，超導性最終消失的原因。

圖2. 傳統超導體的自旋單線態和魔角扭曲三層石墨烯的自旋三重態

　　但是，同樣存在一些不受磁場影響的奇異超導體，強度非常大。這些材料通過具有相同自旋的電子對進行超導，“庫珀對”的總自旋為1，并且兩個電子自旋可以在同一方向上排列。這種特性被稱為“自旋三重態”。當暴露在強磁場中時，庫珀對中的兩個電子的能量會向同一方向移動，這樣它們就不會被拉開，而是繼續不受干擾地超導，無論磁場強度如何。

　　大多數實驗上已知的超導體都有自旋-單線態庫珀對；其中包括表現出傳統超導性的金屬（例如鉛和鈮），以及表現出非常規超導性的銅酸鹽（層狀氧化銅化合物）。然而，具有自旋-三重態的非常規超導體卻鮮有報道。

　　難以置信！MATTG超導在10 T的強磁場中幸存下來

　　起初，研究人員在魔角扭曲雙層石墨烯中觀察到了超導現象，隨后很快跟進了魔角三層石墨烯的測試，結果發現，它比雙層石墨烯更堅固，在更高的溫度下保持超導性。當施加適度的磁場時，研究人員注意到三層石墨烯能夠以破壞雙層石墨烯超導性的場強進行超導。

　　“我們認為，這很奇怪，”曹原的導師Jarillo-Herrero 說道。隨后，曹原和導師Jarillo-Herrero 便起了好奇之心，魔角三層石墨烯是否可能包含這種不尋常的自旋三重態超導性的跡象。于是，研究人員將三層石墨烯堆疊在一起，并將中間的一層相對于外層旋轉 1.56 度來制造MATTG；然后通過一塊磁場方向與材料平行的大磁鐵控制磁場，在越來越高的磁場下測試了MATTG的超導性。

圖3. 高平面磁場下 MATTG 中的超導性。

　　研究發現，當不斷增加周圍的磁場時，MATTG的超導性一直很強，直到消失。但令人無比驚奇的是，MATTG的超導性居然在更高的場強下重新出現，卷土重來！這是在傳統的自旋單線態超導體中從未觀察到的。

　　同時，曹原等人還觀察到，在“卷土重來”之后，在高達 10 特斯拉的磁場強度下超導性依然持續存在！要知道，這是實驗室磁鐵可以產生的最大場強。根據泡利極限（這是一種預測材料可以保持超導性的最大磁場的理論）：如果普通超導體是傳統的自旋單線態，那么MATTG的承受能力大約是普通超導體的三倍。

圖4. MATTG 超導超越泡利極限

　　超導消失后卷土重來？Why?

　　“在自旋單線態超導體中，如果你用磁場“殺死”超導，它就永遠不會回來，永遠消失了，”曹原說道。 “而在這里，它又出現了。所以這說明這種材料肯定不是自旋單線態。”

　　魔角扭曲三層石墨烯重新出現超導性，再加上其在比預期更高的磁場中的持久性，排除了這種材料是普通超導體的可能性。這意味著，它可能是一種非常罕見的類型，即自旋三重態，承載著快速穿過材料的庫珀對，不受強磁場的影響。

圖5. MATTG中超導相之間的場致轉變。

　　據悉，目前曹原團隊正在計劃深入研究該材料以確認其確切的自旋狀態，希望為開發下一代更強大的 MRI 機器和更強大的量子計算機的設計提供更多的信息和科學依據。

　　“常規量子計算非常脆弱，”Jarillo-Herrero 說。 “你看著它，噗，它可能就消失了。大約 20 年前，理論家提出了一種拓撲超導性，如果在任何材料中實現，就可以 [啟用] 負責計算的狀態非常穩健的量子計算機，從而為計算提供無限的力量。實現這一目標的關鍵因素是某種類型的自旋三重態超導體。我們不知道我們的類型是否屬于那種類型。但即使不是這樣，也可以將三層石墨烯與其他材料放在一起來設計這種超導性。這可能是一個重大突破。”

　　參考文獻：

　　1. Cao, Y., Park, J. M., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo-Herrero, P. Nature 595, 526–531 (2021).

　　2. Nature 595, 495-496 (2021). doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-01890-3.