曹原,又一篇Nature!
纳米人 2021-07-24

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第一作者:曹原, Jeong Min Park
通讯作者:曹原, Jeong Min Park, Pablo Jarillo-Herrero
通讯作者单位:麻省理工学院

1. 通过实验展示了魔角石墨烯的超导机理
2. 发现魔角石墨烯的超导性在强磁场条件中仍能稳定存在,是一种比较罕见的防磁超导材料

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图1. 魔角石墨烯的超导效应示意图

目前人们发现在Moiré量子材料中,紧密联系的不同拓扑相之间能够通过多种手段进行调控,其中两层或三层石墨烯以“魔角”形式组合,实现了以往未曾发现的超导现象,但是目前人们仍未曾在实验中直接观测电子的配对变化规律。

有鉴于此,麻省理工学院曹原, Jeong Min Park, Pablo Jarillo-Herrero等报道了当对石墨烯中加入超过10 T的面内磁场,魔角石墨烯仍能够保留其超导性质,这个现象是经典自旋单重态超导体所容忍的Pauli极限的2-3倍,这种超过经典Pauli极限的现象伴随着超导相的形成而存在,这种效应排除了超导放大成对效应导致形成的赝相。

作者在较高的磁场中观测到在较窄的载流子浓度区间和偏置电压中能够重复获得超导性的现象,说明在三层魔角石墨烯材料中产生的超导性来自于非自旋单重态的Cooper对,通过外部磁场控制能够实现在不同相之间转变。作者通过相关研究,展示了Moiré超导量子材料中丰富的物理现象和作用规律,为发展和设计新型量子材料提供帮助,说明魔角石墨烯作为一种比较罕见的防磁超导材料

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由于该项工作具有较大的意义,圣母诺特丹大学Yi-Ting Hsu对该项工作进行总结和评述。

背景
物质的超导量子相由于能够在没有电阻的条件中传递电流受到广泛关注,并且发展这种超导量子材料并且进一步将其实用,将大大促进人们对电能的利用。从微观角度来看,超导量子效应的产生是通过两个电子产生相互作用形成“库伯电子对”(dubbed Cooper pair),这种电子对在移动过程中以整体形式进行运动,同时不会消耗多余的能量。

这种电子库伯对通常表现为自旋单重态,其中两个电子的自旋方向相反,因此总自旋量子为0;当两个电子的自旋方向相同,两个电子的总自旋量子数为1。
目前实验中观测到的超导体材料中大多数表现为单重态库伯电子对:比如Pb、Nb金属等经典超导体,层状铜氧化物新型超导体。

新发展
作者在1.6°的魔角模式三层石墨烯中进行研究,主要对这种超导态条件中的电子自旋变化规律进行研究。首先在较低的温度(<< span="">1 K)中测试三层石墨烯材料的电阻情况,在测试过程中发现电阻为零的超导相

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图2. 魔角石墨烯中的防磁三重自旋超导机理


随后沿着平行于石墨烯的方向引入磁场,表征能够导致超导相消除的磁场强度大小,经过测试发现导致超导保持的临界磁场强度高达>10 T。由于这个临界磁场强度是Pauli极限的2-3倍,远远超过了单重态电子库伯对能达到的效果,因此作者认为这种超导效应产生的原因是由于自旋三重态导致

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图3. 魔角石墨烯的抗磁性超导效应表征

此外,作者对两个不同的超导相进行测试,发现第二超导相的临界稳定磁场比第一超导相更高,能够在磁场达到10 T的时候仍能保留。作者通过研究磁场变化过程中电阻变化,发现两个超导相之间可能通过一级相变实现互相转变因此,在超导性破坏后,仍能够形成超导状态。

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图4. 魔角石墨烯中的超导相变

意义
这次曹原等在实验中发现魔角石墨烯中的超导对应于自旋三重态电子库伯对。这种现象与一些3D结构三重态自旋超导体材料类似,比如URhGe、UTe2。本文研究为发展能够在实验中进行超导性调控的新型材料提供机会,这种材料可能用于容错量子计算等重要的应用场景。

参考文献:
【1】Cao, Y., Park, J.M., Watanabe, K. et al. Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene. Nature (2021). 
DOI: 10.1038/s41586-021-03685-y
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03685-y
本文以预印版形式于2021年5月发表于arXiv上:
https://arxiv.org/abs/2103.12083
【2】Yi-Ting Hsu, Superconductivity in a graphene system survives a strong magnetic field, Nature 595, 495-496 (2021)
DOI: 10.1038/d41586-021-01890-3
https://www.nature.com/articles/d41586-021-01890-3



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