研究背景
自旋軌道耦合（SOC）是量子力學中一個重要的概念，它描述了電子自旋角動量和軌道角動量之間的相互作用。這種耦合會導致電子能級的分裂，并對許多物理現象產生影響，例如原子光譜、固體物理學和電子器件等。其中，在基于石墨烯的系統中，過渡金屬二硫化物（TMD）引發的SOC已被證明能夠驅動拓撲態并增強超導性。然而，在菱形多層石墨烯中，這一穩健的電子關聯和拓撲平臺的超導性以及SOC的作用仍然沒有得到充分研究。鑒于此，麻省理工巨龍課題組在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Impact of spin–orbit coupling on superconductivity in rhombohedral graphene”的最新論文。他們報告了過渡金屬二硫化物接近的菱形三層石墨烯的輸運測量結果。我們觀察到一個孔洞摻雜的超導態SC4，其臨界溫度為234?mK。在電子摻雜側，我們發現了一種異自旋對稱性破缺的四分之三金屬相，并觀察到附近較弱的超導態SC3被顯著增強。令人驚訝的是，原本在裸菱形三層石墨烯中顯著存在的超導態SC1在過渡金屬二硫化物的存在下被強烈抑制——這一現象與SOC對其他所有石墨烯超導性的影響相反。我們的觀察為在菱形石墨烯器件中探索超導性和非阿貝爾準粒子奠定了基礎。
研究亮點
1.實驗首次在菱形三層石墨烯（RTG）中觀察到由過渡金屬二硫化物（TMD）接近效應引起的超導性，發現了一個孔洞摻雜的超導態SC4，其臨界溫度為234?mK。2.實驗通過在電子摻雜側研究RTG/TMD異質結構，發現了一個異自旋對稱性破缺的四分之三金屬（TQM）態，并觀察到在該態附近，弱超導態SC3被顯著增強。3.實驗發現，TMD接近效應抑制了裸RTG中原本存在的超導態SC1，與SOC對其他石墨烯超導性的增強效應相反。4.研究表明，TMD接近效應在菱形石墨烯中產生了新的超導態，增強了原本較弱的超導態，并消除了原本顯著的超導態，為理解SOC對菱形石墨烯超導性的影響提供了新的見解。
圖文解讀
圖1: 在WS2封裝的三層菱方石墨烯RTG（D1）中，超導性。圖2: 過渡金屬二硫化物TMD近鄰誘導的新超導態SC4。圖3:TMD-近鄰增強超導態SC3和新的對稱破缺三分之四金屬TQM相。
結論展望
本文的研究揭示了過渡金屬二硫化物（TMD）與菱形三層石墨烯（RTG）結合后，SOC效應對超導性和拓撲態的復雜影響，特別是在SC1超導態的抑制和SC3、SC4超導態的增強方面，打破了傳統認知。這一發現不僅為深入理解SOC在石墨烯超導性中的作用提供了新的視角，還為拓撲量子計算中非阿貝爾準粒子的工程化開辟了新的研究方向。此外，本文提出的結合超導性與分數量子霍爾態、整數量子霍爾態以及量子自旋霍爾態的設想，為未來在莫爾超晶格或無莫爾超晶格環境下的拓撲量子計算提供了潛在的實驗平臺。這些發現促進了對復雜材料系統中電子相互作用、超導性和拓撲效應的進一步探索，并為開發高效的量子計算器件奠定了理論基礎。研究表明，通過精確調控SOC效應，不僅能推動量子物理學的前沿發展，還能為實際應用中的器件設計和優化提供新思路。Yang, J., Shi, X., Ye, S. et al. Impact of spin–orbit coupling on superconductivity in rhombohedral graphene. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02156-3
