青塔学科云数据平台 一站式解决学科建设的重点难题 立即查看

超燃!95后天才少年曹原再发Nature,第八篇!

2021-07-22高分子科学前沿动态青塔

0

0

yinhao
摘要:刚刚,95后石墨烯大神曹原又在《Nature》上发表了关于魔角石墨烯的最新研究成果,迎来了自己人生中第八篇《Nature》!而这距离他上一次发表《Science》仅仅三个月左右的时间。

刚刚,95后石墨烯大神曹原又在《Nature》上发表了关于魔角石墨烯的最新研究成果,迎来了自己人生中第八篇《Nature》!而这距离他上一次发表《Science》仅仅三个月左右的时间。
从2018年发现魔角石墨烯以来,这位NS(Nature/Science)狂魔已经发了8篇Nature1篇Science! 其中,仅2021年上半年便已经发表了3篇Nature+1篇Science发表间隔时间最长不过一个月,最短仅一周左右,如此密集的丰硕成果,令人难以想象!

曹原第八篇《Nature》:发现能够在强磁场中存在的罕见超导现象

2021年7月21日,曹原再次以第一作者+通讯作者的身份,在《Nature》发表了题为“Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene”的论文。
在该研究中,曹原等人在魔角扭曲的三层石墨烯(magic-angle twisted trilayer graphene,MATTG)材料中观察到一种罕见的超导现象。研究发现,当 θ 等于大约 1.6° 的“魔幻”角时,MATTG在低温(低至1开尔文)下电阻为零,变为超导体。令人惊讶的是,MATTG在高达 10 特斯拉的惊人高磁场下仍然表现出超导性,这比传统超导体所预测的材料所能承受的磁场高出三倍!

图1. 魔角扭曲三层石墨烯中罕见的自旋三重态超导现象。

曹原表示,该研究中发现的魔角三层石墨烯是一种非常罕见的超导体,被称为“自旋三重态”,不受强磁场的影响。这种奇异的超导体可以极大地改进磁共振成像(MRI)技术。目前,MRI 机器仅限于 1 到 3 特斯拉的磁场。如果它们可以用自旋三重态超导体制造,那么 MRI 就可以在更高的磁场下运行,以产生更清晰、更深的人体图像。
此外,三层石墨烯中自旋三重态超导性的新证据也可以帮助科学家设计更强大的超导体,以用于实际量子计算。

自旋单线态超导VS. 自旋三重态超导

所谓超导体,是指在不损失能量的情况下具有高效的导电能力,以零电阻传输电流。从微观上讲,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,然后集体和协作地移动,在没有阻力的情况下穿过材料,从而不会损失能量。
在绝大多数超导体中,这些“库珀对”具有相反的自旋(内在角动量),一个电子向上旋转,另一个向下旋转,总自旋为零,这种配置被称为“自旋单线态”。这些电子对通过超导体愉快地加速,除非在高磁场下,它可以将每个电子的能量向相反的方向移动,从而将电子对拉开。也就是说,强磁场可以破坏传统自旋单线态超导体的超导性。这就是为什么在足够大的磁场中,超导性最终消失的原因。

图2. 传统超导体的自旋单线态和魔角扭曲三层石墨烯的自旋三重态

但是,同样存在一些不受磁场影响的奇异超导体,强度非常大。这些材料通过具有相同自旋的电子对进行超导,“库珀对”的总自旋为1,并且两个电子自旋可以在同一方向上排列。这种特性被称为“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,而是继续不受干扰地超导,无论磁场强度如何。
大多数实验上已知的超导体都有自旋-单线态库珀对;其中包括表现出传统超导性的金属(例如铅和铌),以及表现出非常规超导性的铜酸盐(层状氧化铜化合物)。然而,具有自旋-三重态的非常规超导体却鲜有报道。

难以置信!MATTG超导在10 T的强磁场中幸存下来

起初,研究人员在魔角扭曲双层石墨烯中观察到了超导现象,随后很快跟进了魔角三层石墨烯的测试,结果发现,它比双层石墨烯更坚固,在更高的温度下保持超导性。当施加适度的磁场时,研究人员注意到三层石墨烯能够以破坏双层石墨烯超导性的场强进行超导。
“我们认为,这很奇怪,”曹原的导师Jarillo-Herrero 说道。随后,曹原和导师Jarillo-Herrero 便起了好奇之心,魔角三层石墨烯是否可能包含这种不寻常的自旋三重态超导性的迹象。于是,研究人员将三层石墨烯堆叠在一起,并将中间的一层相对于外层旋转 1.56 度来制造MATTG;然后通过一块磁场方向与材料平行的大磁铁控制磁场,在越来越高的磁场下测试了MATTG的超导性。

图3. 高平面磁场下 MATTG 中的超导性。

研究发现,当不断增加周围的磁场时,MATTG的超导性一直很强,直到消失。但令人无比惊奇的是,MATTG的超导性居然在更高的场强下重新出现,卷土重来!这是在传统的自旋单线态超导体中从未观察到的。
同时,曹原等人还观察到,在“卷土重来”之后,在高达 10 特斯拉的磁场强度下超导性依然持续存在!要知道,这是实验室磁铁可以产生的最大场强。根据泡利极限(这是一种预测材料可以保持超导性的最大磁场的理论):如果普通超导体是传统的自旋单线态,那么MATTG的承受能力大约是普通超导体的三倍。

图4. MATTG 超导超越泡利极限

超导消失后卷土重来?Why?

“在自旋单线态超导体中,如果你用磁场“杀死”超导,它就永远不会回来,永远消失了,”曹原说道。 “而在这里,它又出现了。所以这说明这种材料肯定不是自旋单线态。”
魔角扭曲三层石墨烯重新出现超导性,再加上其在比预期更高的磁场中的持久性,排除了这种材料是普通超导体的可能性。这意味着,它可能是一种非常罕见的类型,即自旋三重态,承载着快速穿过材料的库珀对,不受强磁场的影响。

图5.  MATTG中超导相之间的场致转变。

据悉,目前曹原团队正在计划深入研究该材料以确认其确切的自旋状态,希望为开发下一代更强大的 MRI 机器和更强大的量子计算机的设计提供更多的信息和科学依据。
“常规量子计算非常脆弱,”Jarillo-Herrero 说。 “你看着它,噗,它可能就消失了。大约 20 年前,理论家提出了一种拓扑超导性,如果在任何材料中实现,就可以 [启用] 负责计算的状态非常稳健的量子计算机,从而为计算提供无限的力量。实现这一目标的关键因素是某种类型的自旋三重态超导体。我们不知道我们的类型是否属于那种类型。但即使不是这样,也可以将三层石墨烯与其他材料放在一起来设计这种超导性。这可能是一个重大突破。”
参考文献:
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.

本文转载自:高分子科学前沿。文章为作者独立观点,不代表青塔立场,转载请联系原作者。

参与评论

青塔快讯

更多
moremore
  • 哈尔滨工业大学与黑河市签署战略合作协议

    12小时前

    9月15日,哈尔滨工业大学与黑河市人民政府战略合作签约仪式在黑河市举行。双方共探深化市校合作长效机制,拓宽合作领域,实现校地资源共享、合作共赢。校党委书记熊四皓、黑河市委书记李锡文出席签约仪式并讲话。黑河市委副书记、代市长王玉升主持签约仪式。

  • 中国农业大学获“北京市党的建设和思想政治工作先进高等学校”

    12小时前

    9月17日上午,在北京高校党的建设工作会议上,中国农业大学荣获“北京市党的建设和思想政治工作先进高等学校”。党委书记姜沛民代表学校接受颁奖。

  • 天大、津南签约共建天津大学科技园

    12小时前

    9月15日下午,天津大学与津南区人民政府在海河教育园区管理中心举行签约仪式——合作共建天津大学科技园。天津大学校长、中国工程院院士金东寒,天津市政府副秘书长朱玉兵,津南区委副书记、区长邓光华出席签约仪式。天津大学副校长王树新,津南区副区长胡永梅代表双方签署合作协议。天津科技局副局长段志强,天津大学校长助理刘宁,天大天津校友会会长、北洋海棠创投基金发起合伙人刘毅,市科技局、市教委、市工信局等部门相关负责同志参加签约仪式。签约会由津南区委副书记唐小文主持。

  • 上海市第四人民医院庆祝建院100周年并揭牌成为同济大学附属医院

    12小时前

    迎来百年华诞的上海市第四人民医院正式挂牌成为同济大学附属医院。9月17日,建院100周年庆典暨附属医院揭牌仪式举行。 上海市卫健委主任邬惊雷通过视频致辞,上海市药监局局长闻大翔、虹口区委书记郭芳、同济大学校长陈杰出席并分别致辞。市卫健委副主任胡鸿毅,同济大学党委常务副书记冯身洪、副校长陈义汉,中国医疗器械行业协会常务副会长姜峰出席,虹口区副区长张雷主持。上海市第一人民医院、龙华医院、岳阳医院、同济大学医学院和同济大学各附属兄弟医院、虹口区卫健委、第四人民医院、区属其他医疗卫生单位的负责人,第四人民医院历任老领导出席了此次庆典及揭牌仪式。 至此,同济大学已有10家附属医院、5家正在筹建中的附属医院,它们分别是:附属同济医院、附属口腔医院、附属第十人民医院、附属东方医院、附属上海市肺科医院、附属第一妇婴保健院、附属杨浦医院、附属养志康复医院、附属皮肤病医院、附属上海市第四人民医院、附属普陀人民医院(筹)、附属康复医院(筹)、附属精神卫生中心(筹)、附属天佑医院(筹)、附属脑科医院(筹)。

换一换

mainPic
img
加入我们吧

了解更多

青塔开放数据

青塔为您整理了学科评估、院校名单等数据,更多精选数据开放中,敬请期待!

  • 高考院校数据库

  • 第四轮学科评估结果查询

  • 全国院校名单查询

  • T级分区期刊查询

mainPic
img
青塔媒体矩阵

立即查看

发现新鲜、有趣的事情?立即联系我们

投稿爆料