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95后天才少年曹原发表第8篇Nature，是今年第4篇

澎湃新闻见习记者刘航

2021-07-22 11:49

来源：澎湃新闻

“95后”中国学者曹原又有了新研究成果。

当地时间7月21日，曹原作为通讯作者在国际顶级学术期刊《Nature》上发表了一篇名为《Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene》的论文。这是他今年在《Nature》上发表的第4篇论文。至此，他已经在《Nature》上发表8篇论文。

曹原目前在麻省理工学院研究物理。本次的研究是发现一个叫“魔角”扭曲三层石墨烯（magic-angle twisted trilayer graphene）的材料具有一种罕见的超导性——该材料很可能是 “自旋三重态”（spin-triplet）超导体。

研究称，魔角三层石墨烯能在高达10特斯拉的高磁场下表现出超导性，比传统超导体所能承受的磁场高出3倍。这种超导体可能有助于大幅改进核磁共振仪，设计实用量子计算机。

超导体能够以零电阻传输电流，即具有不损失能量而有超高效的导电能力。从微观上来看，这是因为超导体中的电子会以“库珀对”的形式耦合，它们集体协作地移动而不会损失能量。

在绝大多数超导体中，电子对具有相反的自旋，一个电子向上，一个向下，电子对总自旋为零——这种配置被称为“自旋单线态”。如果面临强磁场，超导性则会消失。因为强磁场可以让每个电子的能量向相反的方向移动，从而将电子对拉开，破坏超导性。

而自旋三重态“库珀对”的总自旋为 1，两个电子自旋可以在同一方向。这种材料通过具有相同自旋的电子对进行超导。在强磁场中，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，而是继续超导。

在这项研究中，研究人员将三层从石墨上剥离原子般薄的碳层堆叠起来，然后将中间的一层旋转1.57°。然后，将电极连接到材料的任一端，让电流通过并测量损失的能量。再打开实验室里的一块大磁铁，磁场方向与材料平行。在增加材料附近的磁场时，他们发现超导性在消失之前保持很强，但随后在更高的场强下重新出现——这是非常不寻常的“重返”。

他们还观察到，“重返”后，磁场高达 10 特斯拉时，超导性依然存在。根据泡利极限（超导体保持超导所能承受的最大磁场称为泡利极限），这比传统的自旋单重态超导材料所能承受的磁场要高出三倍。

这种超导性的“重返”，以及其能承受更高的磁场，表明该材料不是普通超导体，而可能是一种非常罕见的类型——自旋三重态。

Jarillo-Herrero团队对于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好奇，该团队在石墨烯莫尔结构研究方面做出了开创性工作——原子薄的碳晶格层在以特定角度堆叠时，能够出现令人惊讶的结果。最初，研究人员在两个成角度的石墨烯片中发现这种奇怪的特性，他们将其称为“魔角双层石墨烯”。这次，他们发现三层石墨烯能够在破坏双层石墨烯超导性的场强下进行超导。

该团队计划深入研究该材料以确认其真正自旋状态，这有助于为更强大的核磁共振仪和量子计算机的设计提供信息。核磁共振成像是通过在磁场下使用超导线与生物组织共振并成像。核磁共振仪目前仅限于 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成，那么核磁共振仪就可以在更高的磁场下运行，从而产生更清晰、更深的人体图像。

而该材料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，以用于实用量子计算。

“常规量子计算非常脆弱，你看着它，突然它就消失了。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），这种超导性可以使负责计算的状态强大的量子计算机成为可能。它将提供无限的计算能力。”Jarillo-Herrero 表示，“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，这也可以更容易地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，不过现在还太早。”

附：此前发表的顶刊石墨烯论文