永無止境！手握7篇Nature/1篇Science的他，再獲1篇Nature

【背景介紹】

量子材料的最新進展是通過堆疊具有扭曲角或晶格失配的二維（2D）材料來構建人造的moiré超晶格。在某些moiré超晶格中，平帶的出現會引起相關絕緣體、鐵磁相等現象，特別是超導性。最近在魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）以及魔角扭曲三層石墨烯（MATTG）中發現了強大的超導性。此外，MATTG表現出獨特的電位移場可調性，其超導狀態可以調整到超強耦合狀態，使得MATTG成為研究moiré超導性質的有吸引力的平臺。然而，關于超導性的一個基本問題是其非常規配對對稱性，即空間對稱性和自旋配置，仍有待實驗證明。

【成果簡介】

在2021年7月22日，美國麻省理工學院曹原（一作兼通訊作者）、Pablo Jarillo-Herrero和Jeong Min Park（共同通訊作者）等人報道了魔角扭曲三層石墨烯（MATTG）在面內磁場超過10 T時表現出超導性，極大的違反了傳統自旋單線態超導體的泡利（Pauli）極限，超過了2-3倍。對于一個預計不會有強自旋軌道耦合的系統，這是一個意想不到的觀察結果。在整個超導相位上觀察到違反了泡利極限，表明MATTG與具有大超導幅度配對的可能的贗隙相位無關。值得注意的是，作者在大磁場中觀察到重入超導性，它存在于較窄的載流子密度和位移場范圍內。這些發現表明，MATTG中的超導性可能是由一種導致非自旋單線態Cooper對的機制所驅動，并且外部磁場會導致具有潛在不同順序參數的相之間的轉變。該研究結果證明了moiré超導的豐富性，并且可能有助于設計下一代奇異量子物質。研究成果以題目為“Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene”發表在國際頂級期刊Nature上。

【圖文速遞】

圖一、高面內磁場下MATTG的超導性
（a）實驗系統示意圖；

（b, d）T=300 mK時，B‖=0 T和B‖=10 T時的縱向電阻R_xx；

（c）在ν=-2.4、D/ε₀=-0.44 V nm^-1和T=300 mK、不同B‖值時電壓-電流（V_xx-I）曲線；

（e）空穴摻雜側的超導性隨B‖的演變。

圖二、MATTG中大的泡利極限違反
（a）超導圓頂的演變作為B‖的函數；

（b）在ν=-2.28處的B‖-T相圖；

（c）以1 T的間距對應于（b）的線切割；

（d）對于ν=-3時，與（b）中結果一致；

（e）對于10%、20%和30%的電阻閾值，作為ν的函數提取的PVR。

圖三、凹角超導
（a）R_xx繪制為B‖和T的函數，在B‖范圍5-10 T內；

（b-c）R_xx的線切割在不同的B‖值下對T和放大視圖繪制，顯示了R_xx-T曲線在BKT轉變溫度附近的非單調行為；

（d）差分電阻dV_xx/dI繪制為B‖的函數，I顯示出與溫度相關的類似趨勢；

（e-f）dV_xx/dI的線切割對I和不同B值的放大視圖，顯示出與（b-c）中類似的非單調行為。

圖四、MATTG中超導相之間的場致躍遷
（a）在最佳摻雜ν=-2.4時，電阻作為D和B‖的函數；

（b）在D/ε₀=-0.24 V nm^-1時作為ν和B‖的函數的電阻；

（c）R_xx對B‖的圖的溫度依賴性，在（a）和（b）中用白色虛線標記的D和ν值處；

（d）B‖-T相圖隨D變化的演變；

（e）|D|-B-T空間中超導相相圖的三維（3D）示意圖。

【小結】

綜上所述，作者在整個超導相上觀察到了違反泡利極限現象，表明魔角扭曲三層石墨烯（MATTG）與可能存在的具有大超導振幅配對的偽間隙相無關。這些發現表明，MATTG的超導性很可能是由一種導致非自旋單重態Cooper對的機制驅動，而且外部磁場可能會導致具有不同有序參數的相之間的相變。該研究結果展示了Moiré超導性的豐富性，并且有助于引導設計下一代奇異量子物質。此外，為確定MATTG不同超導相的完全配對對稱性，還需要進一步的研究。

文獻鏈接：Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene. Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03685-y.

本文由CQR編譯。

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