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发布日期：2024-09-03 作者：开博
近日，上海交通年夜学物理与天文学院李听昕课题组、李政道研究所刘晓雪课题组在Nature上颁发题为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”的研究论文。该项研究初次在单晶石墨烯中不雅测到电子搀杂环境的超导电性，这对理解晶体石墨烯和转角石墨烯系统的超导机理，设计制备基在石墨烯系统的高质量新型超导量子器件等具有主要意义。
超导这一宏不雅量子现象最早由荷兰科学家H. K. Onnes在1911年在研究汞在低温下的电学输运性质时被初次不雅察到，是凝集态物理学中里程碑式的发现之一，有关超导材料和超导机理的研究是物理学和相干范畴研究中经久不衰的课题。2018年，有关魔角双层石墨烯的研究初次在石墨烯系统中不雅察到超导电性，这一研究当即引发了国际物理学界的普遍存眷，引领了有关二维莫尔超晶格研究的高潮。尔后，研究者们在转角多层石墨烯莫尔超晶格系统中也不雅测到了超导电性，而转角石墨烯中超导与平带之间的关系、超导的配对机制等，至今还是范畴内备受存眷的主要科学问题。魔角双层石墨烯对两层石墨烯之间的转角要求十分刻薄，容忍度仅在魔角1.1度正负误差0.1度的规模，这在必然水平上限制了对魔角石墨烯中超导电性的深切研究。
图一 样品布局示意图和光学显微镜照片
2021年，研究者初次在不需要莫尔超晶格的亚稳态单晶石墨烯，即菱方堆垛的三层石墨烯中，经由过程栅极静电调控，不雅察到空穴搀杂的超导现象，其超导改变温度约为100 mK，这一研究成果也顿时引发了普遍的存眷。随后，2022年，在施加约0.15 T平行磁场和垂直位移电场（约1 V/nm）的前提下，人们在空穴搀杂的Bernal堆垛双层石墨烯也不雅察到了超导态，但其超导改变温度仅约为30 mK. 分歧在魔角石墨烯和菱方堆垛石墨烯系统，Bernal堆垛的双层石墨烯是自然石墨的根基构成单位，是一种不变的晶体布局，这为可节制备高质量样品、和将来研制基在石墨烯的新型超导量子器件供给了抱负的尝试平台。以后的研究发现，将半导体过渡金属硫族化合物二硒化钨（WSe2）与Bernal堆垛的双层石墨烯组合构成异质布局时，因为近邻效应，加强了石墨烯系统的自旋轨道彼此感化，有趣的是，这使得双层石墨烯的超导态能在零磁场下闪现，而且超导改变温度被显著晋升至约300 mK. 但因为尝试中可实现的位移电场规模的限制，没法完全揭露双层石墨烯空穴超导态随位移电场转变的性质与纪律；并且，其超导配对机制和二硒化钨对石墨烯系统超导态的影响机制还是悬而未决的问题。另外，之前有关高质量双层石墨烯器件中自觉对称性破缺态和超导态的研究首要集中在价带（空穴搀杂），而对导带（电子搀杂）的存眷较少。
图二 尝试揭露的双层石墨烯与二硒化钨异质结系统的相图，和不雅察到的空穴和电子搀杂环境的超导态
经由过程优化样品制备方式，上海交年夜尝试团队成功制备出高质量双层石墨烯与二硒化钨异质结样品，使得可以对其施加高达1.6 V/nm的垂直位移电场。经由过程展开系统的极低温量子输运丈量，连系电场调控和静电搀杂调控，他们揭露了该系统中空穴搀杂超导随位移电场和载流子浓度转变的完全相图；更加主要的是，尝试上在电子搀杂的环境也不雅察到超导态，这是在单晶石墨烯中初次不雅察到电子搀杂的超导电性。空穴端和电子真个超导态强度都可以经由过程外加的垂直位移电场进行有用调理，尝试上丈量到的最崇高高贵导改变温度别离约为450 mK和300 mK，这也是今朝在单晶石墨烯系统中不雅察到超导改变温度的最高记实。
图三 在外加高垂直位移电场下，Bernal堆叠双层石墨烯电子端量子振荡和费米面阐发
经由过程丈量高质量石墨烯样品的纵向电阻随垂直磁场的量子振荡（即Shubnikov-de Haas效应，简称SdH振荡），可以获得有关能带费米面的主要信息，这对理解系统中因为电子联系关系彼此感化致使的自觉对称性破缺态，和超导配对机制等都具有主要的意义。该研究工作具体丈量了在分歧位移电场下，低磁场区间空穴搀杂和电子搀杂时的SdH振荡。阐发成果注解，在较高的位移电场下，双层石墨烯在空穴搀杂和电子搀杂时均呈现了一系列自觉对称性破缺态，这些态的呈现与能带的范霍夫奇点和电子-电子彼此感化相联系。特殊地，当施加电场使得双层石墨烯中的电子或空穴接近二硒化钨层时，SdH振荡的频率产生了进一步的转变，这是由于当电子和空穴接近二硒化钨层时，感触感染到了较着的自旋轨道耦合感化，从而致使电子态的简并度和费米面的布局产生转变。尝试成果注解，空穴搀杂和电子搀杂的超导的正常态均对应在费米面为部门极化的环境。
最后，该工作具体对照了双层石墨烯中电子搀杂超导和空穴搀杂超导的性质。出乎料想的是，在拔取的超导改变温度，超导临界垂直磁场等超导性质近似的环境下，空穴搀杂超导和电子搀杂超导揭示了判然不同的平行磁场依靠性。具体而言，空穴搀杂的超导态背反了泡利顺磁极限，而电子搀杂的超导性却始终遵守泡利顺磁极限。之前的研究工作认为，二硒化钨对石墨烯系统超导态的加强结果可以经由过程近邻效应引入的Ising自旋轨道耦合彼此感化的角度来理解，而跨越泡利顺磁极限的空穴搀杂超导是Ising自旋轨道耦合彼此感化的直接成果。而在此项工作中，虽然经由过程费米面阐发在导带中也不雅测到较着的Ising自旋-轨道耦合彼此感化，但电子搀杂的超导电性却没有背反泡利顺磁极限。这一不雅察预示着二硒化钨对双层石墨烯中超导的加强结果可能不但仅来自在近邻效应引入的Ising自旋轨道耦合彼此感化。
该功效上海交年夜团队首要成员：（从左至右）刘晓雪、李佳熠、李楚善、徐凡、李听昕
这一研究工作突显了在高位移电场下双层石墨烯系统中出现的丰硕量子物态，此中良多现象和性质还值得进一步的理论和尝试研究。该工作不但为理解单晶石墨烯甚至魔角石墨烯的超导机理供给了主要的尝试信息和束缚，并且为基在稳态布局的单晶石墨烯设计和制造新型超导量子器件奠基了坚实根本。
论文第一作者为上海交通年夜学物理与天文学院博士研究生李楚善。配合通信作者为物理与天文学院李听昕副传授，李政道研究所刘晓雪副传授和武汉年夜学吴冯成传授。论文的合作者还包罗上海交通年夜学贾金锋传授，博士研究生徐凡，李佳熠；武汉年夜学博士研究生李泊浩；中国科学院物理研究所吕力研究员，沈洁研究员，仝冰冰副主任工程师，博开博体育士研究生李国安，和日本国立材料研究所Kenji Watanabe研究员和Takashi Taniguchi研究员。此项研究触及的器件微纳加工部门在上海交通年夜学物理与天文学院微纳加工平台完成，极低温丈量在中国科学院综合极端前提尝试装配完成。本工作获得科技部、国度天然科学基金委、上海市和上海交通年夜学的帮助，在此深表感激。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w#Sec17
（原题：交年夜最新Nature！石墨烯超导又有重年夜发现）
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