人們對于扭轉雙層石墨烯、三層石墨烯種發現的超導現象產生廣泛的研究興趣，扭轉雙層石墨烯和扭轉三層石墨烯體系的關鍵是層間耦合和moiré超晶格之間的相互作用關系，以及如何形成強關聯的低能量平帶。通過晶格失配的moiré圖案或者二維材料的扭轉異質結（比如過度金屬硫化物）同樣能夠產生平帶結構。隨著人們在過渡金屬硫化物的moiré超晶格中觀測發現這些關聯現象，但是對于超導現象仍然缺乏認識。 有鑒于此，哥倫比亞大學Cory R. Dean等報道在扭轉角度為5.0°的雙層WSe2發現最大臨界溫度為426 mK的超導性。該工作的第一作者是Yinjie Guo。這種超導態在特定區域和一定強度的位移場區域內產生，這個區域同金屬態相鄰，這種反鐵磁（AFM, antiferromagnetic）序是產生Fermi表面重構的原因。在低溫下，發現在超導相和磁相之間具有尖銳的邊界，這個現象與超導體的自旋波動現象類似。這項研究在石墨烯之外的moiré超晶格建立了平帶超導性。對于那些石墨烯不存在但是過渡金屬硫化物具有的性質（比如本征帶隙、較高的自旋-軌道耦合、自旋-波谷鎖定、磁性）等性質為研究石墨烯之外更廣泛的超導參數區間提供可能。這項研究分析了超導-AFM相圖，發現超導性質能夠通過自旋波動得到穩定，這種現象與重費米子體系的現象非常類似。這項研究展示了扭轉雙層WSe2具有的穩健超導性，并且研究了扭轉雙層WSe2的超導性的起源。首先研究了成對的強度，費米能級（EF）為50 meV與臨界溫度（Tc）得到Tc/TF≈0.0008，這對應于典型的弱成對BCS（Bardeen–Cooper–Schrieffer）。由BKT關系發現當溫度T=TBKT，超流體剛度（superfluid stiffness）約為0.25 K，這顯著的低于文獻根據能帶結構計算的數值（20 meV）。根據超導圓頂（superconductivity dome）的密度推測顆粒之間的距離d約為0.33 nm。顆粒間距的相干長度比的數值非常大（達到17）。這種較低的超流體剛度、較高的相干長度比、較大的能帶寬度都表明其符合BSC成對。人們根據理論提出聲子介導相互作用能夠導致石墨烯的平臺產生傳統的超導性，WSe2同樣有這種可能。這個體系與扭角多層石墨烯不同，但是與菱面體三層石墨烯或者Bernal雙層石墨烯非常類似的現象的是，都表現了Fermi表面重構與超導性出現，而且具有明顯的自旋波谷磁序。這項研究發現超導性出現在較窄的區域，并且伴隨著磁序的出現，這個現象說明磁序在超導中起到的關鍵作用，比如作為自旋漲落的介導。 總之，這項研究發現了在位移場為零時，相干作用太弱，因此無法在實驗溫度下觀測超導現象。但是，施加位移場導致Van Hove奇點（VHs）的態密度增強，因此磁化率增加并達到閾值，因此Fermi表面重構形成反鐵磁性。反鐵磁想相鄰的自旋漲落導致產生超導成對態。這種相互作用能夠解釋超導性不是在所有位置產生，只能在反鐵磁相相鄰位置產生。當增加的磁化率達到閾值，并且與超導相所需的Tc溫度相符，Tc能夠在接近反鐵磁相達到峰值，隨后突然消失，這種行為與重費米子體系的反鐵磁性現象非常類似。 當然，更加完全和深入的理解超導性，以及精確給出WSe2觀測的超導機理需要進一步的實驗和理論計算工作。特別是需要對磁序和超導態之間的相互作用深入理解，并且需要弄清超導和磁序之間的協同、競爭、共軛、或者結合等關系。這個研究的關鍵問題是理解相圖隨著扭轉角度變化的改變。通過這項研究，能夠用于和石墨烯體系進行比較。根據目前的認識，人們發現相比于扭角多層石墨烯比較窄的“魔角”窗口或者多層堆疊菱面體體系的奇點參數空間不同，在過渡金屬硫化物體系的關聯性在多個扭轉角度下都能夠形成和發生演變。在另一篇工作中，英屬哥倫比亞大學Joshua Folk、華盛頓大學Matthew Yankowitz等通過moiré勢驅動，在扭轉雙層-三層石墨烯內構筑異常霍爾晶體。第一作者是Ruiheng Su和Dacen Waters。在稀釋的二維電子氣，庫倫相互作用能夠穩定Wigner晶體。雖然Wigner晶體在拓撲結構上是平凡的，但是人們預測Wigner晶體特定部分填充能帶電子能夠同時打破連續的平移對稱性（translational symmetry）和時間反演對稱性（time-reversal symmetry），因此形成異常霍爾晶體的拓撲電子晶體。當填充的電子為每四個moiré晶胞填充一個電子（ν?=1/4），形成這種異常霍爾晶體，Chern數具有良好的可調性，在電場和磁場下能夠在+1和-1下可逆的轉變。當ν?=1/3、1/2、2/3、3/2，在合適的磁場能夠形成其他幾種拓撲電子晶體。通過相互作用修飾的能帶的量子幾何結構與母能帶的量子幾何結構具有明顯的區別，因此有可能通過電子關聯產生新型拓撲現象。 這項研究報道了扭轉雙層-三層石墨烯在|C|=1的一系列拓撲電子晶體態（TEC），這些測試得到的結果與早期人們在各種moiré晶格材料中發現的其他TEC電子晶體態類似，但是同時存在多種明確的區別。這項研究在折疊能帶（在分數ν?的C=1態）的Chern數和母能帶（在ν=1和2的C=0態）之間的產生了明顯的斷開，這說明能夠在晶化狀態下產生拓撲折疊能帶。這項研究發現通過電場和磁場能夠調節TEC的Chern數，這種對于B||極高的靈敏度對于軌道磁體是非常不尋常的現象。圖3. 雙層-三層石墨烯的ν=1/4的拓撲電子晶體這項研究展示了在扭轉雙層-三層石墨烯中，打破時間反演對稱性和平移對稱性的現象非常常見，其中ν?=?1/4的態最簡單同時最穩健，能夠在0磁場下保持。通過掃描探針顯微鏡測試能夠直接觀測這種電子晶體的結構，這對于理解電子晶體的性質非常關鍵。此外，目前的理論研究預測結果表明分數量子反常霍爾態能夠在部分填充的狀態下的反常霍爾晶體中出現，并且表現出含有分數電荷以及任意量子交換態的準離子。這種具有扭轉雙層-三層石墨烯的廣義性的反常量子晶體現象為直接研究拓撲電子晶體和分數量子反常霍爾效應之間的關系提供機會。此外，通過結構更加復雜的實驗，比如通過具有整數量子反常霍爾態的超高提構筑非-Abelian Majorana模式能夠從結構簡單的扭轉雙層-三層結構得到幫助。 Su, R., Waters, D., Zhou, B. et al. Moiré-driven topological electronic crystals in twisted graphene. Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6https://www.nature.com/articles/s41586-024-08239-6Guo, Y., Pack, J., Swann, J. et al. Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2. Nature 637, 839–845 (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08381-1 https://www.nature.com/articles/s41586-024-08381-1
