超导材料新大陆

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Yi-Ting Hsu，原文标题：《超导材料新大陆：魔角扭曲三层石墨烯呈现出惊人抗磁超导性》，题图来自：视觉中国

超导体这种物质的量子相能够以零电阻传输电流。从微观上看，该现象基于一个事实，即这种物质在能量上有利于电子结合成双电子态，也就是所谓的库珀对（Cooper pair），电子库珀对可以在没有能耗的情况下做集体协同运动。当库珀对的两个电子自旋（内禀角动量）方向相反时，它的总自旋为0，这种称为自旋单重态（spin-singlet）；反之，如果库珀对的两个电子自旋方向相同，即总自旋为1，则称为自旋三重态（spin-triplet）。

大多数实验上已知的超导体拥有的都是自旋单重态库珀对，其中包括具有常规超导性的金属材料（如铅和铌），以及具有非常规超导性的铜氧化物材料（层状氧化铜化合物）。曹原等人^[1]在《自然》发文报道了与自旋三重态库珀对相关的非常规超导性的证据。

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二维自旋三重态超导体早已受到广泛关注，研究人员预测其中许多超导体可以出现奇异的零能量激发，这也被称为马约拉纳零模（Majorana zero mode）。这种超导体的一个例子是二维手性p波超导体，已经得到了深入研究^[2]。

这种系统打破了时间反演对称性（time-reversal symmetry），即如果时间方向反转，其物理性质会发生变化；当有一个外加磁场垂直地作用于该系统时，预计在涡核（磁通线）中会存在马约拉纳零模。马约拉纳零模很有希望被用来作为拓扑量子比特。拓扑量子比特可以用来构建一种“容错”量子计算，称为拓扑量子计算^[3,4]。因此，鉴于大多数已知的自旋三重态超导体都是三维材料，人们很渴望能在实验上获得二维的自旋三重态超导体。

在过去四年中，实验研究人员已经开始探索准二维系统，这种系统由堆叠但稍有错位的石墨烯层组成，这些墨烯层是由按六边形排列的碳原子构成的单层薄片（见参考文献5和6）。这类系统很快就受到了人们的关注，因为它们在实验上易于调控，并拥有丰富多样的关联量子相。今年早些时候，有研究报道了扭曲的三层石墨烯具有超导性^[7,8]，该材料包括三个堆叠的石墨烯层，其中顶层和底层相对于中间层各有一个扭转角，角度大小分别为θ和-θ（图1）。通过调节θ的大小，就能研究扭曲三层石墨烯在不同状态条件下的物理现象，可以从电子本质上弱耦合的状态一直变化到电子强耦合的状态。

图1 | 扭曲三层石墨烯的超导性。a, 魔角扭曲三层石墨烯（magic-angle twisted trilayer graphene，MATTG）是一个由三层按六边形排列的碳原子层堆叠而成的系统，三个层之间的相对扭转角θ约为1.6°。b, 超导性来源于电子结合成了双电子态，称为库珀对。在自旋单重态库珀对中，两个电子的自旋（内禀角动量）方向相反；在自旋三重态库珀对中，两个电子的自旋在同一方向上。c, 当材料所在平面内有外加强磁场时，自旋单重态库珀对会发生分裂，因为一种称为塞曼效应的现象会使电子自旋变为同向。相比之下，自旋三重态库珀对则可以在这样的强磁场中持续存在。曹原等人[1]发现MATTG中的超导性在平面内强磁场的作用下仍能持续存在，并认为这一观测结果能证明超导性来源于自旋三重态库珀对。

曹原等人研究了θ等于“魔角”（约1.6°）的扭曲三层石墨烯，在这个角度下，整个系统会处于电子强耦合状态。他们观测了这种魔角扭曲三层石墨烯（magic-angle twisted trilayer graphene, MATTG）的超导性，并研究了这种超导性的自旋性质。

具体来说，他们测量了MATTG在低温（最低1开尔文以下）条件下的电阻，并发现了一个零电阻相。然后，他们对MATTG施加了一个在石墨烯层平面内的磁场，并测出了能使观测到的超导性消失的磁场强度临界值。他们发现，MATTG的超导性居然能一直维持到高达近10特斯拉的磁场强度临界值，而对于自旋单重态超导体来说，超导性消失的临界磁场强度不会有那么高。

（外加）磁场会与超导体中库珀对的轨道角动量和自旋发生耦合。当一个平面内强磁场作用于准二维超导体时，轨道效应可以忽略不计。然而，当磁场强度超过一定限度，即所谓的泡利极限（Pauli limit）时，自旋效应往往会导致自旋单重态库珀对（电子自旋方向相反）发生分裂，因为一种称为塞曼效应（Zeeman effect）的现象会使电子自旋变为同向（图1）。相比之下，自旋三重态库珀对的电子自旋本来就是同向的，因此处于一个平行方向磁场内的自旋三重态库珀对可以与这种自旋效应相容，并且不会受到泡利极限的约束。曹原等人在MATTG中测得的平面内磁场临界场强是泡利极限值的2到3倍，因此可以证明其超导性是自旋三重态的。

曹原等人还探测到了第二个超导相，它可以承受比第一个更高的平面内磁场强度，临界强度高达10特斯拉以上。通过对比MATTG在磁场强度增大和减小时的电阻变化情况，作者们指出这两种相之间也许可以通过相变联系在一起，这种相变称为一级相变（first-order phase transition）。这种“重入”（re-entrant）超导性让人想起在有些三维自旋三重态超导体中观察到的超导现象，例如铀铑锗^[9]和碲化铀^[10]，以及自旋三重态超流体（零粘度液体）氦-3^[11]。这种相似性可能会为研究MATTG中两个超导相的性质提供线索。

曹原等人报道的关于MATTG中准二维自旋三重态超导性的证据为实验调控非常规超导体铺平了道路。通常，高的平面内临界场强可以通过自旋三重态库珀对以外的多种其他方式去实现。但由于石墨烯中电子自旋和轨道角动量之间的耦合可以忽略不计，那些方式不太可能在MATTG中实施。然而，要揭示MATTG中库珀对的轨道结构是否与自旋三重态超导性相吻合，还有待进一步的实验测量。

关键的是，自旋三重态并不意味着观测到的超导性就一定会对拓扑量子计算有用。下一步还需要研究这种超导性的拓扑特性。研究人员应该要确认一下它是否打破了时间反演对称性，这能表明是否可能存在手性p波超导性。研究人员还应该去寻找一下涡核中零能态的直接证据，这将说明马约拉纳零模的存在性。从这些研究中获得的知识可以帮助物理学家去开发有前途的拓扑量子计算平台。

参考文献：

1. Cao, Y., Park, J. M., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo-Herrero, P. Nature 595, 526–531 (2021).

2. Read, N. & Green, D. Phys. Rev. B 61, 10267 (2000).

3. Kitaev, A. Y. Ann. Phys. 303, 2–30 (2003).

4. Nayak, C., Simon, S. H., Stern, A., Freedman, M. & Sarma, S. D. Rev. Mod. Phys. 80, 1083–1159 (2008).

5. Cao, Y. et al. Nature 556, 43–50 (2018).

6. Cao, Y. et al. Nature 556, 80–84 (2018).

7. Park, J. M., Cao, Y., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo-Herrero, P. Nature 590, 249–255 (2021).

8. Hao, Z. et al. Science 371, 1133–1138 (2021).

9. Lévy, F., Sheikin, I., Grenier, B. & Huxley, A. D. Science 309, 1343–1346 (2005).

10. Ran, S. et al. Nature Phys. 15, 1250–1254 (2019).

11. Leggett, A. J. Rev. Mod. Phys. 47, 331–414 (1975).

原文以Superconductivity in a graphene system survives a strong magnetic field标题发表在2021年7月21日的《自然》的新闻与观点版块上

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Yi-Ting Hsu