今日Science：伯納雙層石墨烯的同位旋磁性和自旋極化超導性

【研究背景】

在傳統的超導體中，自旋相反的電子之間會發生庫珀配對。自旋三重態超導體在自然界是罕見的。這種稀缺性至少部分可以追溯到安德森定理的不適用性。因此，實現自旋三重態超導性對材料質量有嚴格的限制。實驗上，三重態超導電性最顯著的表現之一是對外加磁場的恢復力，這可能超過塞曼能量與超導能隙的比較所設定的極限。觀察到的違反這一限制的候選自旋三重態超導體的突出例子包括鈾基化合物。最近，石墨烯基二維材料已經成為超導電性的平臺。特別是，兩種不同的石墨烯三層膜—一種旋轉斷裂，一種亞穩態菱形堆積有序—顯示出超導狀態持續超過順磁極限，這暗示了自旋三重態序參數。但是，這兩種材料都不代表結構基態。旋轉斷層構造通常不穩定，限制了樣品的均勻性，從而限制了再現性。同時，菱面體堆疊順序僅為亞穩態，允許產生均勻的結構，但在實際生產中成本高昂。這些缺點阻礙了系統地改變實驗參數，以及利用這些材料中可用的門調諧相位陣列構建更復雜的器件的可能。

【成果簡介】

近日，美國加州大學圣芭芭拉分校Andrea F. Young團隊報道了在伯納爾雙層石墨烯中，觀察到了自旋極化的超導電性，當摻雜到較大外加垂直電場產生的鞍點Van Hove奇點時。在由自旋和動量空間谷自由度組合所定義的同位旋空間內，觀察到了電子相之間的靜電門調諧躍遷級聯，這是通過它們的極化來區分的。盡管所有這些相在零磁場下都是金屬性的，但可觀察到在平行于二維片施加的有限B‖≈150mT下向超導態的轉變。超導電性發生在對稱破缺轉變附近，并且僅存在于順磁超導體的B‖極限之上，觀察到的轉變溫度Tc≈30mK，與自旋三重態序參量一致。因此，在石墨烯系統中（如伯納爾雙層石墨烯、菱形三層石墨烯和莫特材料），在其各自超導機制中，其費米面拓撲結構的差異表明，費米面細節不是超導機制的核心。相反，接近同位旋有序相，才是莫特相和晶體石墨烯超導體本征特征。關于解決二維材料超導機制，當前工作最大影響是實用性：伯納爾雙層石墨烯穩定性，允許以高產量和可重復性制造異常高質量系統。這將允許探測配對對稱性，例如在混合超導環中的相位敏感測量，這可以直接證明或反駁在本工作中推斷的自旋三重態性質。此外，這里和菱形三層石墨烯中探索的范霍夫奇點類型，對所有石墨烯多層都是通用的，因此，預計場效應控制的超導電性，在具有足夠低無序度的石墨烯同素異形體中是普遍現象。相關研究成果以“Isospin magnetism and spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene”為題，發表在Science上。

【圖文導讀】

圖一、伯納雙層石墨烯中同位旋對稱相斷裂

圖二、磁場誘導超導

?

圖三、超導態的費米學

?

圖四、磁場誘導相變

?

【全文總結】

目前的結果對石墨烯系統中的超導性的任何通用理論引入了重要的限制—假設存在這種理論。特別地，在其各自超導規則中BBG，RTG和Moiré系統之間的費米表面拓撲的差異表明Fermi表面細節不是超導機構的核心。相反，鄰近同位旋有序相是Moiré和晶體石墨烯超導體的通用特征，暗示波動介導或其他純粹的排斥機制。在這項工作中，研究人員認為實驗還沒有排除聲子介導的機制，在這種機制中，泛型配對只會在較窄的密度范圍內和特定的同位旋有序相中導致可觀察到的超導T_C。關于解決超導電性的機制，當前工作的最大影響是實用的：BBG的穩定性允許以高產量和再現性制造出非常高質量的系統。這將允許探測配對對稱性，如混合超導環中的相敏測量，這可能直接證明或反駁本工作中推斷的自旋三重態性質。此外，本文和RTG中探討的范霍夫奇點類型對所有石墨烯多層膜都是通用的，因此研究人員預計場效應控制的超導性將是石墨烯同素異形體中的普遍現象，無序度足夠低。

文獻鏈接：Isospin magnetism and spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene (Science 2021, DOI: 10.1126/science.abm8386)

本文由大兵哥供稿。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。