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最新!曹原的第!8!篇!Nature来了

  没错,是他,是他,就是他,我们熟悉的"朋友"——曹原,在时隔三个多月后,又双叒叕发Nature。这一次,没错,依然是通讯加一作。
  问:曹原到底发了多少篇Nature?你可能是数不过来了吧!据统计,仅2021年上半年就发了3篇nature和1篇science!
  Moiré量子物质,作为一种材料平台应运而生,在这种材料平台中,关联相和拓扑相,可以以前所未有的控制进行探索。其中,由两层或三层石墨烯构成的魔角系统,表现出了具有非常规特性的健壮超导相。然而,非常规配对的直接证据,仍有待实验证明。
  在此,来自美国麻省理工学院的曹原 (通讯兼一作)&Jeong Min Park & P. Jarillo-Herrero(曹原在MIT的导师) 等研究者发现,在超过10 T的平面磁场下,魔角扭曲三层石墨烯具有超导性,这大大(2-3倍 ) 违反了传统自旋单线态超导体的泡利极限。相关论文以题为"Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene"于2021年07月21日发表在Nature 上。
  令人感叹的是,早在今年的2月份,曹原所在团队就已发现:通过电场调谐,可在魔角三层石墨烯中实现摩尔超导……一转眼数月过去,电场已经换成了磁场,似乎在大神的眼里,这些东西用来研究,然后发顶刊,就是手拿把攥的……
  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。
  在此,研究者在平行于样品平面的磁场存在下,在MATTG中进行了量子输运测量,以了解超导态的自旋构型。研究结果表明,MATTG不可能是自旋单线态超导体。研究者制作了高质量的MATTG器件,其中相邻层依次被扭曲了θ和-θ,其中θ≈1.57是MATTG的魔术角(图1a)。MATTG带,可以简化为类MATTG的平坦带和色散的Dirac带,它们之间的杂化可以由电场位移场D控制。每个moiré单位单元的电子数,即moiré填充因子,由ν= 4n/ns定义,其中n为载流子密度,为超晶格密度(a = 0.246 nm为石墨烯晶格常数)。
  图1b显示了纵向电阻Rxx,在没有任何磁场的情况下,其是ν和D的函数,在整数填充因子ν = +1,±2,+3,±4处,存在若干依赖于D的相关电阻态。超导现象出现在ν =±2相关态附近,最高的临界温度Tc出现在ν =−2−δ (δ小于1的分数);在ν =−2.4时,它接近2.9 K。通过改变D可进一步调节临界温度,使Tc最大化的最佳D/ε0值位于±0.4~0.5 V nm−1附近,其中ε0为真空渗透率。在最优ν和D附近,超导性处于超强耦合态。
  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 。
  图2.  魔角石墨烯中的防磁三重自旋超导机理
  通常,磁场可以通过塞曼效应或平面轨道效应抑制超导性。尤其是塞曼效应,对自旋单线态超导体的临界磁场施加了一个上限,称为泡利(或Clogston Chandrasekhar)极限。对于MATTG,在最优掺杂场和位移场下的理论泡利极限为4-5 T,然而,研究者发现即使存在大的平行磁场B = 10 T时(图1d), MATTG中ν=-2-δ的超导性仍保持不变,这远远高于理论泡利极限。
  图1. 高面内磁场下MATTG的超导性
  图2. MATTG中的大的泡利极限违反
  图3. 凹角超导
  图4. MATTG中超导相间的场诱导相变
  综上所述,在整个超导相上观察到波利极限违背,这表明它与可能存在的具有大超导振幅配对的伪间隙相无关。这些发现表明,魔角扭曲三层石墨烯的超导性,很可能是由一种导致非自旋单重态库珀对的机制驱动的,而且外部磁场可能会导致具有不同有序参数的相之间的相变。
  该工作结果展示了moiré超导性的丰富性,并可能引导下一代奇异量子物质的设计。此外,为了确定MATTG不同超导相的完全配对对称性,还需要进一步的研究。
  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。
  内容来源:微信公号 生物学霸
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