“魔角”石墨烯拓扑量子计算平台 在下一代自旋电子学应用中极具前景

2021-08-18 16:02:41

从双层到三层、超导消失又回来、10特斯拉也“屹立不倒”……“魔角”石墨烯可能真的有“魔法”。

近日,美国麻省理工学院(MIT)科学家在一种被称为“魔角”三层石墨烯的材料中观察到一种罕见超导现象。这种材料在高达10特斯拉的高磁场下仍显示出超导性,是传统超导体预计承受能力的3倍。7月21日,相关论文刊登于《自然》。

未参与该研究的圣母大学物理学家Yi-Ting Hsu表示,这种在强磁场下持续保持超导性的材料可能会带来量子计算的进步。

磁场奈我何

石墨烯以其独特的力学和电学特性而被称为“神奇材料”,在下一代自旋电子学应用中极具前景。

《中国科学报》从MIT获悉,该校物理学教授Pablo Jarillo-Herrero、博士后曹原、研究生Jeong Min Park,以及日本国家材料科学研究所的 Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi 等人发现,“魔角”三层石墨烯是一种非常罕见的超导体,具有自旋三重态,不受强磁场影响。

通常,超导材料能在不损失能量的情况下超高效导电。当暴露在电流下时,超导体中的电子以“库珀对”的形式耦合在一起,然后就像坐上一辆过山车,能毫无阻力地快速穿过材料。

在绝大多数超导体中,这些“乘客”两两具有相反的自旋,一个电子自旋向上,另一个自旋向下——这种构型被称为“自旋单线态”。这些电子对能很好地通过超导体,但高磁场会阻碍它们的“步伐”,因为前者会使每个电子的能量向相反方向移动,把电子对拉开。这样一来,传统自旋单线态超导体的超导性会脱轨。

“这就是为什么在一个足够大的磁场中,超导性会消失的最终原因。”Park告诉《中国科学报》。

但也有一些超导体不受磁场影响,即便强度很大也是如此。这些材料通过具有相同自旋的电子对显示超导性,这种特性就是自旋三重态。当暴露在高磁场下时,“库珀对”中两个电子的能量会向同一方向移动,无论磁场强度如何,它们都不会被拉开,而是继续超导。

超导性“再登场”

2018年,Jarillo-Herrero、曹原等人首次发现只要将两层石墨烯旋转到特定的 “魔法角度” 并相互叠加,就可以在零阻力的情况下传导电子。相关成果被认为可能是数十年来寻找室温超导体十分重要的一步。之后,研究人员又设计了“魔角”三层石墨烯结构。

一开始,Jarillo-Herrero团队很好奇“魔角”三层石墨烯是否具有自旋三重态超导性。于是,他们进行了三层石墨烯测试。

结果显示,“魔角”三层石墨烯的三明治结构比双层石墨烯更强,能在更高温度下保持超导性。当研究人员施加一个适中的磁场时,他们注意到“魔角”三层石墨烯能够在磁场强度下超导,而该强度会破坏双层石墨烯的超导性。

当时,研究人员感到非常奇怪。于是,他们测试了“魔角”三层石墨烯在越来越高的磁场下的超导性。他们从一块石墨中剥离出单原子层的碳,之后将三层堆叠在一起,并将中间一层相对于外层旋转1.56度。他们将一个电极连接到材料的任意一端,使电流通过,并测量在此过程中损失的能量。

然后,他们在实验室放置一个大磁铁,将磁场定位到与材料平行的方向。当增加“魔角”三层石墨烯周围的磁场时,研究人员观察到超导性在消失之前一直很强,消失后又奇怪地在更高场强下出现了。研究人员表示,之前并未在传统的自旋单线态超导体中发现这一现象。

“在自旋单线态超导体中,如果你‘杀死了’超导性,它就再也不会回来了,也就是说一去不复返了。”曹原指出,“但在这里,它又出现了。所以这种材料不是自旋单线态。”

“二维自旋三态超导体引起了广泛关注,因为有许多被预测具有名为马约拉纳零模式的奇异零能量激发。”Hsu在《自然》同期发表的评论文章中写道。

“抵御”10特斯拉

之后,另一个惊人的数据出现了。在“超导性重返”后,它一直持续存在于10特斯拉磁场下,这是实验室磁铁能产生的最大磁场强度。根据泡利极限理论,这一强度大约是传统自旋单线态超导体所能承受的3倍。泡利极限理论是一种预测材料能保持超导性的最大磁场是多少的理论。

“魔角”三层石墨烯的超导性再现性,加上它能在更高磁场下保持超导的持久性,排除了这种材料是普通超导体的可能性。该团队计划深入研究这种材料,以确定其确切的自旋状态,这将有助于设计更强大的核磁共振机器,以及更强大的量子计算机。

这种超导体可能极大改进磁共振成像(MRI)等技术。MRI通过在磁场下使用超导导线与生物组织共振并成像。相关机器目前只能在1至3特斯拉的磁场范围内工作。如果可以用自旋三重态超导体制造,MRI就可以在更高磁场下运行,产生更清晰、更深的人体图像。

“魔角”三层石墨烯中自旋三重态超导性也可以帮助科学家为实用性量子计算设计更强的超导体。

“常规的量子计算非常脆弱。你看着它‘噗’的一声就消失了。”Jarillo-Herrero说,“大约20年前,理论家提出了一种拓扑超导,如果在任何材料中实现,就可以使量子计算机成为可能,这将为计算提供无限能力。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。我们不知道这个材料是否属于那种类型。但即使不是,三层石墨烯与其他材料一起也能让制造这种超导性变得更容易。这可能是一个重大突破,但现在下结论还为时过早。”

Hsu则认为,自旋三重态并不意味着观察到的超导性对拓扑量子计算有用。未来的工作需要研究超导的拓扑性质。

例如,研究人员应该确定它是否打破了时间反转的对称性——这可能是手性p波超导的一个迹象。他们还应该寻找旋涡核中零能量态的直接证据,这将表明马约拉纳零模式的存在。

“从这些研究中获得的新知识可以帮助物理学家开发有前途的拓扑量子计算平台。”Hsu说。

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