作者｜唐凤

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-TingHsu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。

美国麻省理工学院的物理学家在一种被称为“魔角”三层石墨烯的材料中观察到一种罕见的超导现象。图片来源：PabloJarillo-Herrero团队

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PabloJarillo-Herrero、博士后曹原、研究生JeongMinPark，以及日本国家材料科学研究所的KenjiWatanabe和TakashiTaniguchi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”

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

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