通訊作者：曹原, Jeong Min Park, Pablo Jarillo-Herrero2. 發現魔角石墨烯的超導性在強磁場條件中仍能穩定存在，是一種比較罕見的防磁超導材料目前人們發現在Moiré量子材料中，緊密聯系的不同拓撲相之間能夠通過多種手段進行調控，其中兩層或三層石墨烯以“魔角”形式組合，實現了以往未曾發現的超導現象，但是目前人們仍未曾在實驗中直接觀測電子的配對變化規律。有鑒于此，麻省理工學院曹原, Jeong Min Park, Pablo Jarillo-Herrero等報道了當對石墨烯中加入超過10 T的面內磁場，魔角石墨烯仍能夠保留其超導性質，這個現象是經典自旋單重態超導體所容忍的Pauli極限的2-3倍，這種超過經典Pauli極限的現象伴隨著超導相的形成而存在，這種效應排除了超導放大成對效應導致形成的贗相。作者在較高的磁場中觀測到在較窄的載流子濃度區間和偏置電壓中能夠重復獲得超導性的現象，說明在三層魔角石墨烯材料中產生的超導性來自于非自旋單重態的Cooper對，通過外部磁場控制能夠實現在不同相之間轉變。作者通過相關研究，展示了Moiré超導量子材料中豐富的物理現象和作用規律，為發展和設計新型量子材料提供幫助，說明魔角石墨烯作為一種比較罕見的防磁超導材料。
由于該項工作具有較大的意義，圣母諾特丹大學Yi-Ting Hsu對該項工作進行總結和評述。物質的超導量子相由于能夠在沒有電阻的條件中傳遞電流受到廣泛關注，并且發展這種超導量子材料并且進一步將其實用，將大大促進人們對電能的利用。從微觀角度來看，超導量子效應的產生是通過兩個電子產生相互作用形成“庫伯電子對”（dubbed Cooper pair），這種電子對在移動過程中以整體形式進行運動，同時不會消耗多余的能量。這種電子庫伯對通常表現為自旋單重態，其中兩個電子的自旋方向相反，因此總自旋量子為0；當兩個電子的自旋方向相同，兩個電子的總自旋量子數為1。目前實驗中觀測到的超導體材料中大多數表現為單重態庫伯電子對：比如Pb、Nb金屬等經典超導體，層狀銅氧化物新型超導體。作者在1.6°的魔角模式三層石墨烯中進行研究，主要對這種超導態條件中的電子自旋變化規律進行研究。首先在較低的溫度（<< span="">1 K）中測試三層石墨烯材料的電阻情況，在測試過程中發現電阻為零的超導相。隨后沿著平行于石墨烯的方向引入磁場，表征能夠導致超導相消除的磁場強度大小，經過測試發現導致超導保持的臨界磁場強度高達>10 T。由于這個臨界磁場強度是Pauli極限的2-3倍，遠遠超過了單重態電子庫伯對能達到的效果，因此作者認為這種超導效應產生的原因是由于自旋三重態導致。此外，作者對兩個不同的超導相進行測試，發現第二超導相的臨界穩定磁場比第一超導相更高，能夠在磁場達到10 T的時候仍能保留。作者通過研究磁場變化過程中電阻變化，發現兩個超導相之間可能通過一級相變實現互相轉變。因此，在超導性破壞后，仍能夠形成超導狀態。這次曹原等在實驗中發現魔角石墨烯中的超導對應于自旋三重態電子庫伯對。這種現象與一些3D結構三重態自旋超導體材料類似，比如URhGe、UTe2。本文研究為發展能夠在實驗中進行超導性調控的新型材料提供機會，這種材料可能用于容錯量子計算等重要的應用場景。【1】Cao, Y., Park, J.M., Watanabe, K. et al. Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene. Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03685-yhttps://www.nature.com/articles/s41586-021-03685-y本文以預印版形式于2021年5月發表于arXiv上：https://arxiv.org/abs/2103.12083【2】Yi-Ting Hsu, Superconductivity in a graphene system survives a strong magnetic field, Nature 595, 495-496 (2021)DOI: 10.1038/d41586-021-01890-3https://www.nature.com/articles/d41586-021-01890-3
