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“魔角”三层石墨烯或是罕见的防磁超导体

  

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,魔角石墨烯的相关研究再发 Nature该研究破除了以往的认知,即二维超导中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。据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 grapheneMATTG)中发现,“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。”

绝大多数超导体是自旋单态,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。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。而该研究中的超导体对磁场 “无动于衷” 的超导体,明显不是自旋单态。

 

 

图丨高面内磁场下 MATTG 的超导性(来源:Nature

 

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。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。

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