第一作者：周昊欣
通訊作者：Andrea F. Young
通訊單位：加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校
在經(jīng)典超導(dǎo)體中，自旋方向相反的電子對能形成Cooper對。有鑒于此，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校Andrea F. Young等報(bào)道在Bernal雙層石墨烯中觀測發(fā)現(xiàn)自旋極化超導(dǎo)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在較高的垂直電場中，雙層石墨烯中形成對應(yīng)于馬鞍點(diǎn)的范霍夫奇點(diǎn)。這項(xiàng)工作基于結(jié)構(gòu)簡單的石墨烯雙層材料，為更好的理解超導(dǎo)提供機(jī)會，有助于發(fā)展可操作的超導(dǎo)材料。由于該工作具有非常重要的意義，于韋斯屈萊大學(xué)Tero T. Heikkil?對此進(jìn)行評述。
研究背景
石墨烯材料能夠作為研究奇異電子態(tài)的平臺，比如超導(dǎo)現(xiàn)象。目前人們在石墨烯材料中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，但是在之前的研究報(bào)道中一般測試樣品的超導(dǎo)相關(guān)物理性質(zhì)無法穩(wěn)定存在，因此無法深入理解體系的超導(dǎo)效應(yīng)。
石墨烯中的超導(dǎo)現(xiàn)象是個(gè)非常有意思的過程。單層石墨烯材料能帶沒有打開，因此無法用于電子學(xué)器件，無法構(gòu)建具有開關(guān)功能的邏輯電路。2009年，人們發(fā)現(xiàn)雙層石墨烯分別與金屬導(dǎo)電極相接構(gòu)成晶體管，能夠形成可調(diào)節(jié)的能帶，并且通過普通數(shù)值控制電壓（向?qū)ё⑷腚娮踊蛘邚膬r(jià)帶中除去電子），實(shí)現(xiàn)邏輯開關(guān)。
圖1.電/磁場調(diào)控雙層石墨烯超導(dǎo)
進(jìn)展
在這篇工作中，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)對雙層石墨烯處于合適的電場和磁場，雙層石墨烯材料中可以形成發(fā)超導(dǎo)效應(yīng)，這種雙層石墨烯的超導(dǎo)狀態(tài)能夠在非常強(qiáng)的磁場中存在的現(xiàn)象非常罕見，因?yàn)橐话阋酝难芯恐姓J(rèn)為超導(dǎo)現(xiàn)象是無法在強(qiáng)磁場中存在。
作者通過靜電門控，在雙層石墨烯中實(shí)現(xiàn)了一連串不同電子相之間的變化，能夠在自旋和動(dòng)量空間確定的谷自由度的空間內(nèi)觀測同位自旋。
在接近導(dǎo)通狀態(tài)和較低的溫度，通過電子相互作用能夠改變能帶結(jié)構(gòu)，破壞能帶的對稱性。因此，作者對雙層石墨烯的電阻隨磁場變化的規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在磁場變化過程產(chǎn)生相變的自旋/波谷對稱性破缺電子結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。其中自旋時(shí)電子的本征量子性質(zhì)和波谷描述了能帶的形狀。
圖2. 對稱破缺同位電子自旋變化
當(dāng)將雙層石墨烯從室溫冷卻至低于30 mK，在特定電場或者磁場作用將產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象：在零磁場條件的金屬態(tài)的石墨烯，當(dāng)施加平行于2D納米片的磁場B||≈150 mT，材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)；這種超導(dǎo)態(tài)對應(yīng)于對稱破缺轉(zhuǎn)變點(diǎn)，而且只能在順磁性超導(dǎo)體、并且在Tc≈30 mK臨界溫度和磁場強(qiáng)度超過B||閾值時(shí)產(chǎn)生，這個(gè)溫度與自旋三重態(tài)的排布規(guī)律一致。
圖3.磁場與超導(dǎo)的關(guān)系
總結(jié)
在這篇工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法說明聲子超導(dǎo)機(jī)理是不可行，為了更加深入的理解超導(dǎo)理論，還需要進(jìn)一步的深入研究。這種Bernal雙層石墨烯能夠形成高質(zhì)量超導(dǎo)效應(yīng)，以高產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的形成超導(dǎo)，而且Bernal雙層石墨烯體系能夠用于討論和深入研究電子成對對稱性問題，比如對于相變化敏感的雜化超導(dǎo)環(huán)體系。本文研究中出現(xiàn)的Van Hove奇點(diǎn)在各種石墨烯多層體系中普遍存在，因此這種通過場效應(yīng)調(diào)控形成超導(dǎo)現(xiàn)象的作用可能在包括其他多層石墨烯的體系中作為一種普適性現(xiàn)象。
展望
目前石墨烯中電子對的形成機(jī)理還沒有合理的解釋，通常人們認(rèn)為異常的電子成對是實(shí)現(xiàn)優(yōu)異超導(dǎo)作用的關(guān)鍵。目前人們通過常規(guī)的機(jī)理解釋超導(dǎo)現(xiàn)象，其中電子成對與晶格振動(dòng)作用有關(guān)，石墨烯的奇異超導(dǎo)效應(yīng)源自石墨烯的獨(dú)特能帶結(jié)構(gòu)。
另外，石墨烯材料的磁場和超導(dǎo)效應(yīng)的相互作用規(guī)律、自旋單重態(tài)/自旋三重態(tài)之間的競爭性在超導(dǎo)中起到的作用、三重態(tài)的激子性質(zhì)同樣是非常重要的課題。這些問題的意義是有助于實(shí)現(xiàn)在更加廣闊的溫度區(qū)間在材料中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。
參考文獻(xiàn)：
Andrea F. Young et al. Isospin magnetism andspin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene, Science 2022,
DOI: 10.1126/science.abm8386
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8386
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn9631
值得一提的是，本文第一作者周昊欣出身于中科大少年班11級，現(xiàn)在加州理工學(xué)院從事博士后研究。2021年9月1日，周昊欣在攻讀博士學(xué)位期間，一天之內(nèi)以第一作者連續(xù)發(fā)表2篇Nature，都是關(guān)于三層石墨烯研究。
在二維納米器件中，基于電場效應(yīng)獲得超導(dǎo)性是納米電子學(xué)的夢想。早在2018年3月，麻省理工學(xué)院PabloJarillo-Herrero和曹原等人在~1.1°魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)新的電子態(tài)，可以簡單實(shí)現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，打開了非常規(guī)超導(dǎo)體研究的大門。這個(gè)全新的發(fā)現(xiàn)，把石墨烯推向了新的發(fā)展高度，研究結(jié)果以背靠背的方式在線發(fā)表于Nature，一時(shí)引起轟動(dòng)，魔角石墨烯風(fēng)靡全球。
然而，魔角石墨烯目前還存在一個(gè)重要問題，那就是特定的旋轉(zhuǎn)角度使得整個(gè)材料的制備非常難，材料也不夠穩(wěn)定，為未來發(fā)展帶來了很多不可確定性。
菱面石墨烯，為石墨烯超導(dǎo)帶了更多可能。
2021年9月1日，加州大學(xué)圣巴巴拉分校Andrea F. Young課題組連續(xù)在Nature背靠背發(fā)表2篇論文，報(bào)道了他們在菱面三層石墨烯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的最新突破。兩篇論文的第一作者都是周昊欣，其中一篇文章的共同第一作者為Tian Xie。
作者認(rèn)為，無論是魔角雙層石墨烯，魔角三層石墨烯，還是菱面三層石墨烯，在其中發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)性，具有相同的本征機(jī)制。
在第一篇論文中，研究團(tuán)隊(duì)在菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性。材料會在低于開爾文溫度下表現(xiàn)為低電阻率或消失電阻率，超導(dǎo)發(fā)生在兩個(gè)不同的柵極調(diào)諧區(qū)（SC1 和 SC2），符合由平均自由程和超導(dǎo)相干長度之比的定義。通過量子振蕩對正常狀態(tài)費(fèi)米表面的映射表明，兩個(gè)超導(dǎo)體都從環(huán)形費(fèi)米海中出現(xiàn)。SC1 從順磁正常狀態(tài)出現(xiàn)，而 SC2 從自旋極化、谷非極化的半金屬狀態(tài)出現(xiàn)，并且打破了面內(nèi)磁場的泡利極限至少一個(gè)數(shù)量級。
在第二篇論文中，作者在菱面三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)“半金屬”和“四分之一金屬”。研究表明，菱面三層石墨烯中，柵極調(diào)諧的范霍夫奇點(diǎn)將電子系統(tǒng)的自發(fā)鐵磁極化驅(qū)動(dòng)為一種或多種自旋和谷型。通過電容和傳輸測量，研究人員觀察到相之間的一系列密度和電子位移場調(diào)諧躍遷，其中量子振蕩具有四倍、兩倍或一倍的簡并性，分別對應(yīng)正常金屬、“半金屬”，以及 “四分之一金屬”。通過孔填充，研究人員觀察到更豐富的相圖，在費(fèi)米表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中對稱性破缺和躍遷之間存在微妙的相互作用。通過使用扭角對齊的六方氮化硼襯底引入莫爾超晶格等進(jìn)一步研究表明，菱面三層石墨烯是控制良好的多體理論測試的理想平臺，并揭示了莫爾材料中的磁性本質(zhì)上是流動(dòng)的。
參考文獻(xiàn)：
HaoxinZhou et al. Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene. Nature 2021.
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03926-0
HaoxinZhou, Tian Xie et al. Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene.Nature 2021.
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03938-w
