特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
研究背景
電子之間的強相互作用往往導(dǎo)致對稱破缺相在整個參數(shù)空間產(chǎn)生豐富競爭。這種競爭可以通過外部擾動顯著改變，這種擾動以犧牲其他相的能量為代價降低其中一個相的能量。典型的例子是魔角扭曲的雙層石墨烯(BLG)與六方氮化硼(hBN)的相圖排列，其中亞晶格極化以抑制超導(dǎo)電性為代價，將一個Chern絕緣體相穩(wěn)定在每moiré晶胞填充三個電子附近。
關(guān)鍵問題
然而，通過相圖調(diào)控超導(dǎo)仍存在以下問題：在一個大的垂直電場存在下，Bernal堆疊雙層石墨烯(BLG)具有幾個破壞對稱的金屬相以及磁場誘導(dǎo)的超導(dǎo)性，但超導(dǎo)狀態(tài)是相當(dāng)脆弱的。通過相圖能量調(diào)控可以實現(xiàn)超導(dǎo)增強，然而超導(dǎo)只出現(xiàn)在一個狹窄的密度窗口，最高臨界溫度Tc≈30 mK。
新思路
有鑒于此，加州理工學(xué)院Stevan Nadj-Perge等人展示了在BLG上放置單層二硒化鎢(WSe2)可以極大地促進Cooper配對：在零磁場下出現(xiàn)超導(dǎo)電性，在Tc上表現(xiàn)出一個數(shù)量級的增強。通過將BLG-WSe2中的量子振蕩映射為電場和摻雜的函數(shù)，建立了超導(dǎo)性出現(xiàn)在正常狀態(tài)極化的區(qū)域，其中四種自旋谷中有兩種主要分布。面內(nèi)磁場測量進一步揭示了BLG-WSe2中的超導(dǎo)電性可以表現(xiàn)出顯著的臨界場對摻雜的依賴性，Chandrasekhar–Clogston (Pauli)極限在超導(dǎo)穹頂?shù)囊欢舜笾路模诹硪欢藙t急劇違反。此外，只有垂直電場將BLG空穴波函數(shù)推向WSe2時才會產(chǎn)生超導(dǎo)性，這表明近距離誘導(dǎo)(Ising)自旋-軌道耦合在穩(wěn)定配對中起著關(guān)鍵作用。該研究結(jié)果為工程上堅固、高度可調(diào)和超清潔的石墨烯基超導(dǎo)體鋪平了道路。
作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)與一側(cè)放置的WSe2結(jié)合時，BLG成為探測電子相關(guān)和誘導(dǎo)SOC之間相互作用的理想平臺，由此得到的相圖相對于D場的符號是強不對稱的。作者探究了零磁場下的超導(dǎo)性，并通過臨界溫度Tc隨n和D的演化進一步了解超導(dǎo)相，證實了超導(dǎo)相的穩(wěn)定性。作者通過測量低場量子振蕩進一步突出了D場的不對稱性，意味著在不同的相內(nèi)有不同的費米表面結(jié)構(gòu)。作者通過面內(nèi)磁場測量闡明了BLG-WSe2中超導(dǎo)的非常規(guī)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)對于g = 2的弱耦合自旋單線態(tài)BCS超導(dǎo)體，其泡利極限的違例隨摻雜而變化。1、實現(xiàn)了零磁場下的超導(dǎo)，臨界溫度提高一個數(shù)量級作者通過在BLG上放置單層WSe2極大地促進Cooper配對，在零磁場下出現(xiàn)超導(dǎo)電性，在Tc上表現(xiàn)出一個數(shù)量級的增強。2、解析了影響Cooper配對的關(guān)鍵因素作者只有垂直電場將BLG空穴波函數(shù)推向WSe2時才會產(chǎn)生超導(dǎo)性，表明近距離誘導(dǎo)(Ising)自旋-軌道耦合在穩(wěn)定配對中起著關(guān)鍵作用。作者表明誘導(dǎo)SOC以及其他參數(shù)，如虛擬隧道效應(yīng)取決于WSe2和石墨烯的相對取向，因此是可調(diào)的，為進一步的探索提供了豐富的前景。
技術(shù)細(xì)節(jié)
作者展示了BLG-WSe2疊加和存在垂直電位移場(D)時對應(yīng)的價帶，其中考慮了WSe2的誘導(dǎo)自旋-軌道耦合(SOC)。在有限D(zhuǎn)場中，BLG具有電荷中性帶隙、BLG特征和在弱色散帶邊緣附近的突出范霍夫奇點(VHS)。當(dāng)與一側(cè)放置的WSe2結(jié)合時，BLG成為探測電子相關(guān)和誘導(dǎo)SOC之間相互作用的理想平臺。作者發(fā)現(xiàn)得到的相圖相對于D場的符號是強不對稱的，明顯的±D不對稱性突出了Ising SOC在定義BLG-WSe2相圖中的作用。
圖 BLG-WSe2的相圖與零磁場超導(dǎo)性BLG-WSe2相圖中正、負(fù)D場之間最顯著的區(qū)別是在D>0處出現(xiàn)了一個寬闊的超導(dǎo)區(qū)域。在hBN包裹的BLG中沒有觀察到類似的區(qū)域，其中超導(dǎo)性只出現(xiàn)在有限的面內(nèi)磁場中。BLG-WSe2的零磁場超導(dǎo)臨界電流表現(xiàn)出非微不足道的摻雜依賴性，有兩個明顯的極大值(達到20 nA)。相比之下，當(dāng)D<0時，對于相似的n和∣D∣觀察到具有高度非線性電流依賴性電阻的不同相。這種電阻相被小磁場抑制，類似于零磁場相。通過臨界溫度Tc隨n和D的演化進一步了解超導(dǎo)相，觀察到的超導(dǎo)臨界溫度比hBN封裝BLG中的Tc大一個數(shù)量級。此外，相對較高的Tc似乎對D場的微小變化不敏感，進一步證實了超導(dǎo)相的穩(wěn)定性。
在D/?0 =±1 V nm?1處測量的低場(B?<1 T)量子振蕩進一步突出了D場的不對稱性，這意味著在D>0的超導(dǎo)區(qū)域內(nèi)和在D<0的電阻相內(nèi)有不同的費米表面結(jié)構(gòu)。作者針對不同的情況進行了討論，結(jié)果表明載流子自發(fā)地極化到一個三角扭曲的口袋中，指向向列序。
圖 超導(dǎo)態(tài)的費米表面結(jié)構(gòu)面內(nèi)磁場測量進一步闡明了BLG-WSe2中超導(dǎo)的非常規(guī)性質(zhì)。作者展示了D/?0 = 1.1 V nm?1處超導(dǎo)區(qū)域Rxx隨密度n和面內(nèi)磁場B∥的關(guān)系。從低密度∣n∣接近超導(dǎo)時，面內(nèi)臨界場Bc∥在相邊界附近迅速達到最大值，然后隨著空穴摻雜的進一步增加而緩慢降低。相反，在零B場處測量的臨界溫度Tc0呈現(xiàn)出更對稱的圓頂形狀，在較高的∣n∣處最大值。Bc∥與Tc0的相互作用表明，對于g因子g = 2的弱耦合自旋單線態(tài)BCS超導(dǎo)體，其泡利極限的違例隨摻雜而變化。
展望
總之，作者針對石墨烯基系統(tǒng)的超導(dǎo)性質(zhì)這一持續(xù)謎題，注意到BLG-WSe2和moiré石墨烯超晶格之間的誘人的一般相似性。在這兩個體系中，超導(dǎo)性似乎與對稱破碎態(tài)密切相關(guān)，在這種狀態(tài)下，四種自旋谷味中有兩種主要分布。未來需要努力解決石墨烯系統(tǒng)中不同超導(dǎo)相之間明顯差異的起源。研究結(jié)果表明誘導(dǎo)SOC以及其他參數(shù)，如虛擬隧道效應(yīng)取決于WSe2和石墨烯的相對取向，因此是可調(diào)的，為進一步的探索提供了豐富的前景。Zhang, Y., Polski, R., Thomson, A. et al. Enhanced superconductivity in spin–orbit proximitized bilayer graphene. Nature 613, 268–273 (2023).DOI：10.1038/s41586-022-05446-xhttps://doi.org/10.1038/s41586-022-05446-x
