上海交通大學，重磅Nature！

一、【導讀】

基于石墨烯的高質量二維電子系統已成為研究超導性的高度可調平臺。具體來說，在電子和空穴摻雜的扭曲石墨烯摩爾體系中都觀察到了超導現象，而在晶體石墨烯體系中，迄今為止只在空穴摻雜的菱形三層石墨烯（RTG）和空穴摻雜的Bernal雙層石墨烯（BBG）中觀察到了超導現象。最近，由于靠近單層WSe₂，BBG的超導性得到了增強。研究顯示，雖然石墨烯的固有自旋軌道耦合（SOC）效應可以忽略不計，但通過將石墨烯與過渡金屬鹵化物層直接接觸，可以通過鄰近效應誘導SOC。實驗證明，這種范德瓦耳斯SOC鄰近法是石墨烯基系統物理性質工程學的重要調節旋鈕。例如，在BBG/WSe₂異質結構中，近距離誘導的Ising SOC 被認為是穩定超導態的關鍵因素。然而，石墨烯摩爾體系和晶體石墨烯體系中超導的具體配對機制仍是一個研究課題。相比之下，在晶體石墨烯中，雖然在導帶和價帶中都觀察到了相互作用驅動的對稱性破缺相，但迄今為止只在價帶中觀察到了超導性。

二、【成果掠影】

在此，上海交通大學李聽昕副教授、劉曉雪副教授及武漢大學吳馮成教授（共同通訊作者）通過靜電摻雜在電子和空穴摻雜的BBG/WSe₂器件中觀察到的超導電性和一系列flavour-symmetry破壞相，觀察到的超導電性的強度可通過施加垂直電場進行調節。電子摻雜和空穴摻雜超導的最大Berezinskii-Kosterlitz-Thouless轉變溫度分別約為210 mK和400 mK。只有當外加電場將BBG電子或空穴波函數驅向WSe₂層時，超導性才會被顯示出來，這凸顯了WSe₂層在觀察到的超導性中的重要性。同時，摻雜空穴的超導違反了Pauli順磁極限，與Ising超導體一致。相比之下，電子摻雜的超導電性遵守了Pauli極限，盡管在導帶中也明顯存在近似誘導的Ising自旋軌道耦合。本文的發現凸顯了BBG中與傳導帶相關的豐富物理現象，為進一步研究晶體石墨烯的超導機制和開發基于BBG的超導體設備鋪平了道路。

相關研究成果以“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.本文報告了在BBG/WSe₂系統中觀察到的可調超導性。得益于該器件可實現的高垂直電位移場D，首次在晶體石墨烯中觀測到了電子摻雜超導電性。

2.本文的發現凸顯了BBG中與傳導帶相關的豐富物理現象，為進一步研究晶體石墨烯的超導機制和開發基于BBG的超導體設備鋪平了道路。

四、【數據概覽】

圖1 BBG/WSe₂的相圖和電子和空穴摻雜超導性? 2024 Springer Nature

圖2 空穴摻雜超導電性的費米表面分析? 2024 Springer Nature

圖3 電子摻雜超導電性的費米表面分析? 2024 Springer Nature

圖4 空穴摻雜和電子摻雜超導電性的平面內磁場依賴關系? 2024 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，理解晶體石墨烯體系和扭曲石墨烯體系中的超導配對機制仍然是凝聚態物理學中最重要和最有趣的問題之一。在所有的石墨烯基超導體中，BBG為理解超導性提供了最簡單的平臺。同時，與其他石墨烯超導體相比，BBG的結構穩定性是一個顯著的優勢，可以可重復地制造高質量的器件。結果顯示，在BBG中大的D場中出現的對稱破壞相與在菱形堆疊多層石墨烯中觀察到的非常相似。空穴和電子摻雜的超導性都與PIP₂費米表面的出現和與WSe₂的接近有關。本文的研究結果突出了BBG中與導帶相關的豐富物理特性，表明了BBG/WSe₂中電子摻雜和空穴摻雜超導性的異同。此外，觀察到電子摻雜超導性并不表現為類超導體，這表明WSe₂在穩定BBG超導性方面的作用可能不僅僅歸因于Ising SOC。因此，這些觀察結果為理解晶體石墨烯體系中的超導性機制的理論模型提供了實質性的約束。

文獻鏈接：“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal?bilayer graphene”（Nature，2024，10.1038/s41586-024-07584-w）

本文由材料人CYM編譯供稿。