特別說(shuō)明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫(xiě)，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。基于石墨烯的高質(zhì)量二維電子系統(tǒng)已成為研究超導(dǎo)性的高度可調(diào)平臺(tái)。具體而言，在電子和空穴摻雜的扭曲石墨烯莫爾系統(tǒng)中都觀察到了超導(dǎo)性。盡管石墨烯中的固有自旋軌道耦合 (SOC) 效應(yīng)可以忽略不計(jì)，但可以通過(guò)鄰近效應(yīng)誘導(dǎo) SOC，即通過(guò)將石墨烯與過(guò)渡金屬二硫?qū)倩飳又苯咏佑|。實(shí)驗(yàn)表明，這種范德華 SOC 鄰近法是設(shè)計(jì)石墨烯基系統(tǒng)物理性質(zhì)的重要調(diào)節(jié)旋鈕。然而，石墨烯超導(dǎo)性的研究仍存在以下問(wèn)題：1、晶體石墨烯系統(tǒng)中超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)仍較少在晶體石墨烯系統(tǒng)中，迄今為止僅在空穴摻雜的菱面體三層石墨烯 (RTG) 和空穴摻雜的 Bernal 雙層石墨烯 (BBG) 中觀察到了超導(dǎo)性。2、石墨烯莫爾系統(tǒng)和晶體石墨烯系統(tǒng)中超導(dǎo)的具體配對(duì)機(jī)制仍不清晰石墨烯莫爾系統(tǒng)和晶體石墨烯系統(tǒng)中超導(dǎo)的具體配對(duì)機(jī)制仍然是一個(gè)正在進(jìn)行的研究課題。在晶體石墨烯中，雖然在導(dǎo)帶和價(jià)帶中都觀察到了相互作用驅(qū)動(dòng)的味對(duì)稱性破壞相，但迄今為止僅在價(jià)帶中觀察到超導(dǎo)性。 有鑒于此，上海交通大學(xué)李聽(tīng)昕、劉曉雪和武漢大學(xué)吳馮成等人報(bào)告了通過(guò)靜電摻雜在電子和空穴摻雜的BBG/WSe2 器件中觀察到的超導(dǎo)性和一系列對(duì)稱性破壞相。觀察到的超導(dǎo)強(qiáng)度可通過(guò)施加的垂直電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子和空穴摻雜超導(dǎo)的最大Berezinskii-Kosterlitz-Thouless轉(zhuǎn)變溫度分別約為 210 mK 和 400 mK。僅當(dāng)施加的電場(chǎng)將BBG電子或空穴波函數(shù)驅(qū)動(dòng)至WSe2 層時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)性，這強(qiáng)調(diào)了WSe2層在觀察到的超導(dǎo)性中的重要性?？昭〒诫s的超導(dǎo)性違反了Pauli順磁極限，與Ising型超導(dǎo)體一致。相比之下，電子摻雜的超導(dǎo)性遵循Pauli極限，盡管鄰近誘導(dǎo)的Ising自旋軌道耦合在導(dǎo)帶中也很明顯。該研究結(jié)果突出了與BBG中的導(dǎo)帶相關(guān)的豐富物理特性，為進(jìn)一步研究結(jié)晶石墨烯的超導(dǎo)機(jī)制和基于BBG的超導(dǎo)器件的開(kāi)發(fā)鋪平了道路。1、探究了BBG/WSe2器件中電子和空穴摻雜的超導(dǎo)性 作者展示了BBG/WSe2器件在零磁場(chǎng)下縱向電阻Rxx 與 D 和 n 的關(guān)系，觀察到兩個(gè)顯著的有限摻雜超導(dǎo)區(qū)域。作者展示了在空穴摻雜側(cè) D=1.1?Vnm?1處測(cè)量的Rxx與垂直磁場(chǎng)B⊥和 n 的關(guān)系，分析了空穴摻雜側(cè)的量子振蕩。作者展示了在D=1.55?V?nm?1和?1.55?V?nm?1時(shí)電子摻雜時(shí)Rxx與B⊥ 和 n 的關(guān)系，表明了PIP費(fèi)米海對(duì)于該系統(tǒng)超導(dǎo)配對(duì)的重要性。4、研究了空穴摻雜和電子摻雜的平面磁場(chǎng)響應(yīng)作者分析了在空穴摻雜和電子摻雜時(shí)Rxx隨n和T的變化，表明空穴摻雜超導(dǎo)性對(duì)施加的B∥=1?T具有彈性，而電子摻雜超導(dǎo)性在低B∥≈0.2?T時(shí)被抑制。1、首次在結(jié)晶石墨烯中觀察到電子摻雜的超導(dǎo)性本工作報(bào)告了在BBG/WSe2系統(tǒng)中觀察到的可調(diào)超導(dǎo)性。受益于該裝置中實(shí)現(xiàn)的高垂直電位移場(chǎng)D，首次在結(jié)晶石墨烯中觀察到電子摻雜的超導(dǎo)性。2、獲得了單晶石墨烯系統(tǒng)中觀察到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的最高記錄通過(guò)優(yōu)化樣品制備方法，作者成功制備出高質(zhì)量雙層石墨烯與二硒化鎢異質(zhì)結(jié)樣品，空穴端和電子端的超導(dǎo)態(tài)強(qiáng)度都可以通過(guò)外加的垂直位移電場(chǎng)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)上測(cè)量到的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別約為450 mK和300 mK。作者展示了BBG/WSe2器件的幾何形狀，顯示了在零磁場(chǎng)下縱向電阻Rxx 與 D 和 n 的關(guān)系，涵蓋了電子和空穴摻雜區(qū)域。在Rxx-D-n圖中可以觀察到一系列以Rxx中的峰值或谷值為特征的相變，測(cè)量的Rxx表現(xiàn)出明顯的電子-空穴不對(duì)稱和D場(chǎng)不對(duì)稱。在n-D相圖中出現(xiàn)了兩個(gè)顯著的有限摻雜超導(dǎo)區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域都對(duì)應(yīng)于摻雜載流子極化到頂部石墨烯層的情況。在空穴摻雜超導(dǎo)的最佳 D和n下，Tc約為 450 mK，估計(jì)TBKT約為400 mK，比之前的研究高出約 1.7 倍。在電子摻雜方面，在可實(shí)現(xiàn)的D范圍內(nèi)，Ic和Tc隨著|D|的增加而增加，但呈現(xiàn)飽和趨勢(shì)。最大Tc和TBKT分別約為300 mK和210 mK。 圖 BBG/WSe2的相圖和電子和空穴摻雜超導(dǎo)性 作者展示了在空穴摻雜側(cè) D=1.1?Vnm?1處測(cè)量的Rxx與垂直磁場(chǎng)B⊥和 n 的關(guān)系。結(jié)果表明，在空穴密度低于超導(dǎo)區(qū)時(shí)，可以識(shí)別出兩個(gè)頻率，表明該狀態(tài)具有六個(gè)較小的費(fèi)米口袋和六個(gè)較大的費(fèi)米口袋。相比之下，在D=?1.1?V?nm?1時(shí)，F(xiàn)FT 頻率峰值僅出現(xiàn)在fν=1/12 處，對(duì)應(yīng)于自旋和谷對(duì)稱的費(fèi)米面。在超導(dǎo)區(qū)域內(nèi)，對(duì)正常態(tài)量子振蕩的FFT分析表明，譜權(quán)重主要集中在略小于 1/2的頻率和低頻處，對(duì)應(yīng)于具有兩個(gè)主費(fèi)米袋和多個(gè)小費(fèi)米袋的部分同位旋極化相。BBG/WSe2系統(tǒng)表現(xiàn)出類似的費(fèi)米面條件，但在環(huán)形費(fèi)米海中缺乏可觀察到的超導(dǎo)相，突出了這兩個(gè)系統(tǒng)之間的明顯區(qū)別。作者展示了在D=1.55?V?nm?1和?1.55?V?nm?1時(shí)電子摻雜時(shí)Rxx與B⊥ 和 n 的關(guān)系。在D=1.55?V?nm?1和高電子密度下，費(fèi)米面自旋和谷對(duì)稱，簡(jiǎn)并度為四倍。隨著電子密度的降低，對(duì)稱性破壞發(fā)生，使費(fèi)米面簡(jiǎn)并度降低到兩倍，最后降低到一倍。此外，理論計(jì)算定性地捕捉到了費(fèi)米面隨電子摻雜密度的演變。與空穴摻雜超導(dǎo)性類似，電子摻雜超導(dǎo)性同樣僅在電子波函數(shù)調(diào)至接近 WSe2層時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，并且它也起源于具有PIP2費(fèi)米面的正常狀態(tài)。觀察結(jié)果再次表明了PIP費(fèi)米海對(duì)于該系統(tǒng)超導(dǎo)配對(duì)的重要性。對(duì)平面磁場(chǎng)的響應(yīng)最后，作者分析了在D=0.96?V?nm?1（空穴摻雜）和D=?1.64?V?nm?1（電子摻雜）時(shí)Rxx隨n和T的變化。在空穴摻雜側(cè)和在電子摻雜側(cè)處，超導(dǎo)配對(duì)強(qiáng)度相當(dāng)，但對(duì)平面磁場(chǎng)B∥的響應(yīng)卻大不相同。在n的一定范圍內(nèi)，空穴摻雜超導(dǎo)性對(duì)施加的B∥=1?T具有彈性，而電子摻雜超導(dǎo)性在低得多的B∥≈0.2?T 時(shí)被完全抑制?？昭〒诫s超導(dǎo)性與 Ising 超導(dǎo)性的現(xiàn)象學(xué)一致，它是由WSe2 近場(chǎng)誘導(dǎo)的 Ising SOC 引起的。然而，在電子摻雜超導(dǎo)性中觀察到的對(duì)B∥ 的有限恢復(fù)力更令人費(fèi)解，需要進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究來(lái)了解BBG/WSe2系統(tǒng)中電子摻雜超導(dǎo)PVR降低的根本機(jī)制。 圖 空穴摻雜和電子摻雜超導(dǎo)的平面磁場(chǎng)依賴性總之，作者揭示了由n和D調(diào)整的豐富相圖，用于與單層WSe2接近的空穴和電子摻雜的 BBG。本研究結(jié)果突出了與BBG中的導(dǎo)帶相關(guān)的豐富物理特性，表明了BBG/WSe2中電子和空穴摻雜超導(dǎo)性之間的相似之處和差異。電子摻雜超導(dǎo)性并不表現(xiàn)為Ising 類超導(dǎo)體這一觀察結(jié)果表明WSe2在穩(wěn)定BBG中的超導(dǎo)性方面的作用可能不僅僅歸因于Ising SOC。這些觀察結(jié)果為理解結(jié)晶石墨烯系統(tǒng)中超導(dǎo)機(jī)制的理論模型提供了實(shí)質(zhì)性的限制。 Li, C., Xu, F., Li, B. et al. Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07584-w
