研究背景
超導(dǎo)體的宏觀量子特性可以通過超流剛度（ρs）來表征，該量描述了改變宏觀量子波函數(shù)相位所需的能量。在非常規(guī)超導(dǎo)體中，例如銅氧化物超導(dǎo)體，ρs的低溫行為與傳統(tǒng)超導(dǎo)體顯著不同，這是由于來自動量空間中無能隙點（節(jié)點）的準粒子激發(fā)。近期對魔角扭曲石墨烯家族的深入研究揭示了除了超導(dǎo)態(tài)外，還存在與自發(fā)破缺對稱性相關(guān)的強關(guān)聯(lián)電子態(tài)，這為研究ρs提供了機會，從而揭示其潛在的非常規(guī)超導(dǎo)性。為了解決這一問題，哈佛大學(xué) Philip Kim教授、美國BBN科技Kin Chung Fong 等人在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors”的最新論文。本研究報告了在魔角扭曲三層石墨烯（TTG）中測量ρs的結(jié)果，揭示了非常規(guī)的節(jié)點隙超導(dǎo)性。通過利用射頻反射技術(shù)測量與微波諧振器耦合的超導(dǎo)TTG的動力學(xué)感抗響應(yīng)，作者發(fā)現(xiàn)ρs在低溫下呈線性溫度依賴，并且在電流偏置依賴中觀察到非線性邁斯納效應(yīng)，這兩者都表明超導(dǎo)序參量中存在節(jié)點結(jié)構(gòu)。此外，摻雜依賴性顯示零溫度下的ρs與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）之間存在線性相關(guān)性，這與銅氧化物中的上村關(guān)系類似，暗示超導(dǎo)性受到相干性限制。作者的結(jié)果為TTG中的節(jié)點超導(dǎo)性提供了強有力的證據(jù)，并對這些基于石墨烯的超導(dǎo)體的機制提出了強有力的約束。
研究亮點
（1）實驗首次測量了魔角扭曲三層石墨烯（TTG）的超流剛度（ρs），得到了表明非常規(guī)節(jié)點隙超導(dǎo)性的結(jié)果。通過射頻反射技術(shù)，結(jié)合微波諧振器對TTG超導(dǎo)樣品的動力學(xué)感抗響應(yīng)進行測量，揭示了ρs在低溫下的線性溫度依賴性，并觀察到了非線性的邁斯納效應(yīng)，這些結(jié)果表明超導(dǎo)序參量中存在節(jié)點結(jié)構(gòu)。（2）實驗通過溫度和摻雜依賴性分析，得到了ρs與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）之間的線性關(guān)系。該現(xiàn)象類似于銅氧化物中觀察到的上村關(guān)系，暗示TTG的超導(dǎo)性受到相干性限制。此外，摻雜依賴性分析進一步揭示了超導(dǎo)狀態(tài)的演化特征，為超導(dǎo)機制提供了重要信息。（3）實驗通過分析BKT轉(zhuǎn)變、上村關(guān)系以及節(jié)點配對對稱性，發(fā)現(xiàn)TTG中的超導(dǎo)性符合節(jié)點配對的非常規(guī)超導(dǎo)特征。這為理解魔角扭曲石墨烯中的超導(dǎo)機制提供了新的視角，支持了超導(dǎo)性與強關(guān)聯(lián)電子效應(yīng)之間的關(guān)系。（4）實驗通過測量非線性邁斯納效應(yīng)，進一步驗證了TTG中的超導(dǎo)性與非常規(guī)節(jié)點配對相關(guān)。這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)的BCS超導(dǎo)理論不符，表明TTG超導(dǎo)態(tài)可能存在不同于常規(guī)超導(dǎo)的機制。
圖文解讀
圖3：BKT轉(zhuǎn)變，上村關(guān)系和節(jié)點配對對稱性
結(jié)論展望
本文的超流剛度測量為魔角扭曲多層石墨烯（MATMG）中的超導(dǎo)性特征提供了深刻的見解。多種跡象的匯聚，包括超流剛度的線性溫度依賴性抑制、非線性邁斯納效應(yīng)的觀察及其溫度依賴性，提供了強有力的證據(jù)，表明超導(dǎo)配對具有節(jié)點對稱性。零溫度下超流剛度與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之間的線性縮放關(guān)系暗示了一種不尋常的情形，即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變受到相位波動的控制，而非庫珀對的破裂。Banerjee, A., Hao, Z., Kreidel, M. et al. Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors. Nature 638, 93–98 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08444-3
