最新背靠背Nature：超越NS大戶魔角石墨烯的材料？

【背景介紹】

在二維材料器件中通過電場效應獲得超導性是納米電子學孜孜以求的中心目標。近年來頻繁在Nature、Science上發文的曹原，其對石墨烯摩爾異質結構研究所取得的一大突破正是在魔角扭曲的雙層石墨烯中發現新的電子態，從而可實現絕緣體到超導體的轉變。然而，這類石墨烯異質結構目前面臨著一個重大的難題，那就是特定的旋轉角度使得整個材料的制備非常困難，所得材料也不能穩定存在，這些都為材料的進一步發展帶來了極大的挑戰。

【成果簡介】

在這樣的研究背景下，美國加州大學圣芭芭拉分校的Andrea F. Young（通訊作者）課題組近期在同一天以“unedited manuscript”的形式于Nature上背靠背發表了兩篇關于菱方三層石墨烯的最新研究文章，這些研究發現菱方石墨烯具有非凡的超導性和鐵磁性，大大開拓了石墨烯材料應用可能。兩篇論文的第一作者Haoxin Zhou，其中一篇文章的共同第一作者為Tian Xie，2021年9月1日，研究成果分別以題為“Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene”和“Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene”發布在Nature上。

【發現菱方石墨烯的超導性】

由于費米液體弱相互作用的不穩定性，大多數金屬在足夠低的溫度下會出現超導性質。然而，也有一些金屬反而會變得極具磁性。在這些系統中，時間反演對稱被自發打破，抑制典型的超導配對（superconducting pairing）行為。這一磁性和超導性之間的競爭現象可以從態密度的角度進行理解：高態密度能夠同時支持超導性和磁性，其中基態是由有效的吸引相互作用和電子間庫倫排斥的相對強度決定。而在另外一些情境中，例如重費米子化合物中，磁性和超導性則可以相互協同合作。在這一條件下，磁性擾動能夠介導電子之間的吸引相互作用，使得超導性有配對對稱性。

菱方三層石墨烯中的超導性

因此，在第一項工作中，作者在同位旋對稱性破缺轉變（isospin symmetry breaking transition）的尖端（cusp）發現，菱方三層石墨烯（RTG）具有超導性。RTG是一種結構亞穩態的碳同素異形體，而超導發生在兩個不同的柵極調諧區（SC1 和 SC2），符合由平均自由程和超導相干長度之比的定義。通過量子振蕩對正常狀態費米表面的映射表明，兩個超導體都從環形費米海中出現。盡管SC1 從順磁正常狀態出現，而 SC2 從自旋極化、谷非極化的半金屬狀態出現，并且打破了面內磁場的泡利極限至少一個數量級。作者依照多種機制包括聲子介導配對等，對實驗結果進行討論，以此來檢驗這類關于超導性的競爭性理論模型，同時也實現了一類基于相關電子現象和彈道電子輸運的新型場效應受控電子器件。

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【發現菱方石墨烯的鐵磁性】

在金屬中，當庫倫排斥產生的勢能大于電子動能時，電子相互作用效應就會占據主導地位。這一條件被Stoner判據利用，以此為過渡金屬中的鐵磁性提供了基本定型依據。在這一依據中，部分填充窄帶從高度定位的d-軌道中出現，可在費米能級上貢獻巨大的態密度。然而，鐵磁性定量模型卻高度依賴交換和關聯效應的近似處理，難以在實驗中進行標準測定。而模型系統諸如二維電子氣可以通過提供受控良好的區域，基于更加精妙的數值計算方法和實驗來為理論建立基準。從這個層面來講，具有低無序性、單粒子能帶結構和高原位控制度（電/磁場）石墨烯范德華異質結構展現出了巨大的潛力。

導帶中的斯通納鐵磁性

因此，在第二項工作中，作者聚焦在以“ABC”方式菱方堆疊石墨烯三層上，發現菱方三層石墨烯中的范霍夫奇點能夠驅動電子系統自發鐵磁極化轉變成一個或多個自旋/谷模式。利用容量和輸運測量，作者觀測了一系列相間的密度/電子取代場調諧轉變，在這些相中量子震蕩具有4倍、2倍或者1倍簡并度，分別與自旋/谷簡并正常態金屬、自旋極化“半金屬”以及自旋/谷極化“四分之一金屬”。對于電子摻雜來說，突出數據被包含了谷-各向異性相互作用的現象學斯通納模型所捕捉；而對于空穴填充來說，作者在費米表面拓撲上觀察到了更加豐富的相圖及其轉變。最后，作者利用旋轉對齊六方氮化硼襯底引入了摩爾超晶格，并展示了菱方石墨烯作為多體理論可控測試的理想平臺的潛力，揭示了摩爾材料中的磁性。

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文獻鏈接一：Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03926-0.

文獻鏈接二：Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03938-w.