兼具超导性和铁磁性，“魔角”石墨烯为量子计算机带来新的希望

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磁体和超导体通常不会共存，但一项新的研究表明，“魔角”石墨烯能够同时产生超导性和铁磁性，这可能对量子计算有用。

当两层碳纳米材料石墨烯以特定的角度相互堆叠在一起时，就会产生一些有趣的物理现象。例如，当这种所谓的“魔角”石墨烯冷却到接近绝对零度时，它会突然变成超导体，这意味着它以零电阻导电。中国95后物理学家曹原(现为麻省理工学院博士后)在该领域有重大贡献。2018年，曹原发现，“魔角”石墨烯可以实现在高于绝对零度的温度下(1.7K)进入超导态。

而现在，英国布朗大学的一个研究团队在“魔角”石墨烯中发现了一种令人惊讶的新现象：通过诱导自旋轨道耦合(spin-orbit coupling)，“魔角”石墨烯变成了一种强大的铁磁体(ferromagnet)。这项工作近期在《科学》杂志上发表[1]。

布朗大学物理学助理教授、这项研究的资深作者Jia Li说：“在凝聚态物理学中，磁性和超导性通常处于光谱的两端，它们很少出现在同一个材料平台上。然而，我们已经证明，我们可以在最初具有超导性的系统中产生磁性。这为我们提供了一种研究超导和磁性之间相互作用的新方法，并为量子科学研究提供了令人兴奋的新可能性。”

近年来，“魔角”石墨烯在物理学界引起了不小的轰动。石墨烯是一种由碳原子按蜂窝状排列而成的二维材料。单层石墨烯本身就很有趣——显示出了非凡的材料强度和极其高效的电导率。而当石墨烯层堆叠起来时，事情变得更加有趣。电子不仅开始与同一层中的其他电子相互作用，而且还与相邻层中的电子相互作用。改变两层石墨烯的相对角度会改变这些相互作用，从而产生有趣的量子现象，如超导性。

普通石墨烯和魔角石墨烯

这项新研究为这个已经很有趣的系统增加了一个新的小难题——自旋轨道耦合。自旋轨道耦合是特定材料中电子行为的一种状态，其中每个电子的自旋(指向上或向下的微小磁矩)与它围绕原子核的轨道相连接。

当底部的魔角石墨烯层与某些过渡金属层接触时，会在石墨烯层中引发一种称为自旋轨道耦合的现象。这种现象在超导体中产生了铁磁性。

布朗大学博士后研究员、该研究的第一作者Jiang-Xiazi Lin说：“我们知道自旋轨道耦合会产生广泛的、有趣的量子现象，但它通常不存在于‘魔角’石墨烯中。我们想在魔角石墨烯中诱导自旋轨道耦合，然后看看它对系统有什么影响。”

为此，Jia Li和他的团队将魔角石墨烯与一块二硒化钨(一种具有强自旋轨道耦合的材料)连接起来。精确地对齐堆叠会诱导石墨烯中的自旋轨道耦合。然后团队用外部电流和磁场探测了系统。

实验表明，在存在外部磁场的情况下，沿一个方向流过材料的电流会在垂直于电流的方向上产生电压。这个电压被称为霍尔效应，是材料中固有磁场的标志。

令研究团队惊讶的是，他们发现可以使用外部磁场来控制磁性状态，外部磁场的方向可以是石墨烯平面内的，也可以是平面外的。而在没有自旋轨道耦合的磁性材料中，只有当外部磁场沿着磁性方向排列时，才能控制固有磁性。

来自哈佛大学的理论物理学家Yahui Zhang参与了这项研究，他说：“这一观测结果表明，自旋轨道耦合确实存在，为建立理解原子界面影响的理论模型提供了线索。”

布朗大学研究生Erin Morrissette说：“自旋轨道耦合的独特影响为科学家提供了一个全新的实验手段，可以帮助他们了解魔角石墨烯的行为。”

这些发现还具有其他应用的潜力。一种可能的应用是在计算机内存中。研究团队发现，魔角石墨烯的磁性可以通过外部磁场和电场来控制。这将使这个二维系统成为具有灵活读/写能力的磁存储设备的理想候选者。

另一个潜在的应用是量子计算。铁磁体和超导体之间的界面已经被提议作为量子计算机的潜在构建块。然而，问题是这样的界面很难创建，因为磁铁通常会破坏超导性。但是一种同时具有铁磁性和超导性的材料可以提供一种创建这种界面的方法。

Jia Li说：“我们正在努力使用原子界面同时稳定超导性和铁磁性。这两种现象的共存在物理学中是罕见的，它一定会带来更多的惊喜。”

参考链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2889

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