最新Science：石墨烯摩爾超晶格超導性研究迎來重大突破

【引言】

研究已經表明，石墨烯摩爾超晶格具有豐富的關聯絕緣、拓撲和超導相。目前，強關聯和非平凡拓撲的起源與平帶之間的直接聯系已經被建立起來，然而對于超導的性質研究和理解依然處于起步階段。對于石墨烯來說，研究已經證明通過適當扭曲石墨烯雙層/三層可獲得超導性。而為了獲得對這些莫爾超晶格超導電性的統一的理解和認識，亟需增加石墨烯莫爾超導體的種類。

【成果簡介】

有鑒于此，加州理工學院的Stevan Nadj-Perge（通訊作者）等人制備了由三層、四層和五層石墨烯層組成的樣品，這些石墨烯層以交替順序相互扭曲，隨后被耦合到二硒化鎢的單層基底上形成魔角器件。研究不僅發現這些器件展現出了味極化（flavor polarization）現象和超導性，還在有限電位移場中觀察到三層/四層石墨烯具有絕緣態。隨著層數的增加，超導性可在受強化填充因子范圍內出現；而在五層石墨烯中，超導性更是遠遠超越了四電子每摩爾晶胞的填充。該研究結果強調了平帶和較為色散帶之間的相互作用對于提升石墨烯摩爾超晶格的超導性具有重要影響。2022年9月29日，相關成果以題為“Promotion of superconductivity in magic-angle graphene multilayers”的文章發表在Science上。

【圖文導讀】

圖1 交替扭曲石墨烯多層中的超導性和關聯絕緣體? 2022 American Association for the Advancement of Science.

圖2 扭曲三層石墨烯（TTG）、扭曲四層石墨烯（TQG）和扭曲五層石墨烯（TPG）相圖以及電場可調超導性? 2022 American Association for the Advancement of Science.

圖3 TTG、TQG和TPG中超導性、味對稱破缺轉變和范霍夫奇點之間的相互作用? 2022 American Association for the Advancement of Science.

圖4 TPG中擴展的超導pockets? 2022 American Association for the Advancement of Science.

【結論】

該研究所闡釋的測量實驗表明，隨著層數從三層增加到五層，扭曲石墨烯多層結構中超導性的優勢越來越明顯，同時也發現，味對稱破缺轉變與超導性之間存在著密切的關系。進一步的研究顯示，對稱性破缺的ν=±2態非常有利于超導態的形成，而相應的ν= ±3則會抑制超導態的生成。更重要的是，這種情況不僅與TBG和TTG測量結果相一致，而且部分與ABC三層和Bernal雙層相一致。因此，這些共性研究表明，在所有這些石墨烯超導體中，具有類似極化類型的對稱破缺態是超導電性的基礎。在這一背景下，TQG和TPG超導性的發現以及最近對無扭曲雙層和三層石墨烯的研究大大擴展了石墨烯超導體的范圍。這一研究進展有望解決超導系統中長期存在的配對機制問題，并為開發新型石墨烯超導體及其應用提供指導。

文獻鏈接：Promotion of superconductivity in magic-angle graphene multilayers（Science, 2022, DOI: 10.1126/science.abn8585）

本文由材料人學術組NanoCJ供稿。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，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。