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作者：庫珀

編審：寇建超

近日，麻省理工學院的物理學家們在一種叫做魔角扭曲三層石墨烯（MATTG）的材料中觀察到了罕見的超導現象，論文於 7 月 22 日發表在 Nature 雜誌上，研究人員報告說，這種材料在高達 10 特斯拉的高磁場下表現出超導電性，比傳統超導體材料的相關效能高出 3 倍。

該發現有望極大地改善磁共振成像等技術應用，而且三層石墨烯自旋三重態超導電性的新證據也可能幫助科學家們設計更強的超導體，用於實際的量子計算。

論文的第一作者，是被稱為天才少年的 95 後石墨烯大神曹原，2018 年 12 月 18 日，他曾榮登 Nature 2018 年度影響世界的十大科學人物榜首，這項最新發表的研究已經是他科研生涯中的第 8 篇 Nature 文章，僅在 2021 年上半年他就已經接連發表了 3 篇 Nature 文章和 1 篇 Science 文章，「石墨烯駕馭者（Graphene Wrangler）」 的稱號名副其實。

圖｜麻省理工學院的物理學家在一種叫做 「魔角」 扭曲三層石墨烯的材料中觀察到了一種罕見的超導現象。

「本實驗的價值在於它教給我們基本的超導性，教給我們材料是如何工作的，這樣我們就可以從中吸取教訓，為其他更容易製造的材料設計原理，也許可以創造出更好的超導性。」 論文的通訊作者之一、麻省理工學院物理學教授 Pablo Jarillo-Herrero 表示。

神奇的 「自旋三重態」

超導材料被定義為超高效的導電能力而不損失能量。當暴露在電流中時，超導體中的電子會以 「庫珀對」 的形式耦合起來，然後無電阻地穿過材料，就像乘坐快車的 「乘客」 一樣。

在絕大多數超導體中，庫珀對有相反的自旋效應，一個電子向上自旋，另一個向下自旋，這種結構被稱為 「自旋單態」。但如果在高磁場下，這些電子對通過超導體時，高磁場可以將每個電子的能量轉移到相反的方向，把他們分開，所以基於這種機制，強磁場可以破壞傳統自旋單重態超導體的超導電性，這也是為什麼在足夠大的磁場中，超導性會消失的根本原因。

但大千世界無奇不有，少數奇特的超導體是不受磁場影響的，抗磁強度非常大，這些材料會通過一對自旋相同的電子進行超導，其特性被稱為 「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，而是繼續超導不受干擾，不管磁場強度如何。

長期研究石墨烯材料的曹原和團隊很好奇魔角三層石墨烯是否有這種不尋常的自旋三重態超導跡象。他們在石墨烯研究方面做出了很多開創性的工作，如原子薄碳晶格層，當以特定角度堆疊時，可以產生令人驚訝的超導現象。

在曹原發表的過往 Nature 文章中，研究人員多次驗證了兩片夾角的石墨烯層的各種奇異特性，他們稱之為魔角雙層石墨烯，而三層石墨烯的三明治結構要比雙層石墨烯更加堅固，在更高的溫度下可保持超導性，且當研究人員施加適度的磁場時，他們注意到三層石墨烯還能夠在高磁場強度下保持超導，這個發現就像打開了一扇科研新大門。

圖｜扭曲三層石墨烯的超導性，（來源：Nature）

三層石墨烯疊加，1.56° 夾角的魔力

研究人員從一塊石墨上剝離出原子薄的碳層（石墨烯），將三層碳層堆疊在一起，其相對旋轉角 θ 約為 1.56°，從而製造出這種材料。他們在材料的兩端連線一個電極，讓電流流過，並測量過程中損失的能量。然後在實驗室裡開啟一個大磁鐵，磁場方向與材料平行。

當他們增加三層石墨烯周圍的磁場時，他們觀察到超導性在消失之前保持了很強的一點，但奇怪的是在更高的場強下再次出現 —— 這是非比尋常的發現，而且在傳統的自旋單重態超導體中是不已知的。

圖｜高磁場環境下 MATTG 的超導電性（來源：Nature）

「在自旋單線態超導體中，如果你扼殺了超導性，它就永遠不會回來 —— 它永遠消失了。」 曹原對外表示，「但在這裡，它再次出現了。所以這肯定說明該材料不是自旋單線態。」

研究人員還觀察到，在 「超導特性」 重返後，能夠承受高達 10 特斯拉的磁場強度，這是實驗室磁鐵所能產生的最大場強。根據泡利極限理論，這比傳統的自旋單重態超導材料所能承受的磁場要高出 3 倍，泡利極限理論可預測材料保持超導電性所需的最大磁場。

三層石墨烯的超導性再現，再加上其在比預期更高磁場下的永續性，排除了這種材料是普通超導體的可能性。

相反，它很可能是一種非常罕見的類型，可能有 「自旋三重態」 特性，承載著在材料中高速穿行的庫珀對，不受強磁場的影響。研究小組計劃深入研究這種材料，以確認其確切的自旋狀態，這可能有助於設計更強大的核磁共振成像機，以及更強大的量子計算機。

「常規的量子計算是非常脆弱的。」Jarillo Herrero 表示。

大約 20 年前，科學界和物理理論學家們提出了一種拓撲超導電性，如果在任何材料中得以實現，就可以使狀態非常健壯的量子計算機成為可能，而實現這一點的關鍵因素是某種類型的自旋三重態超導體。

但還需更多驗證

針對這項研究，美國聖母大學物理系專家 Yi Ting Hsu 評論稱，報道的 MATTG 中準 2D 自旋三重態超導電性的證據為可以實驗操控的非常規超導體鋪平了道路。

但是，由於石墨烯中電子的自旋角動量和軌道角動量之間的耦合可以忽略不計，因此還需要進一步的測量來證明 MATTG 材料中庫珀對的軌道結構是否與自旋三重態超導電性相一致。

關鍵是，自旋三重態並不意味著觀測到的超導電性將有助於拓撲量子計算。

未來，研究人員還需要進一步研究 MATTG 超導的拓撲性質。例如，研究人員應該確定它是否破壞了時間反轉對稱性 —— 這是一種可能的超導體特殊跡象，他們還應該尋找渦核中零能態的直接證據等等，從這些研究中獲得的理解，有望幫助物理學家們開發有前途的拓撲量子計算平臺。

參考資料：