美國加州理工學院新發Nature：自旋軌道耦合雙層石墨烯中可編程超導性的扭轉角調控研究

美國加州理工學院新發Nature：自旋軌道耦合雙層石墨烯中可編程超導性的扭轉角調控研究

一、【科學背景】

在強電位移場中，伯納爾雙層石墨烯（BLG）的電子帶在布里淵區的拐角處變平，產生各種相關相，自發破壞BLG的對稱性。這些相關相位對顯式對稱破缺擾動高度敏感。科學家發現，誘導這種擾動的一種方法是將BLG放置在過渡金屬二硫化物（如二硒化鎢（WSe₂））附近。WSe₂引起的自旋-軌道耦合（SOC）擾動改變了相圖，顯著地使BLG中的超導電性在零磁場下出現，并顯著提高臨界溫度。然而， SOC對BLG和相關石墨烯系統相關相的影響仍然難以捉摸。理論上來講，誘導SOC可能取決于WSe₂和石墨烯之間的相對扭轉角，而在近晶格匹配的范德華材料中，層間相對扭轉角是調控莫爾超晶格平帶關聯現象的關鍵參數。但是，這種依賴性尚未經過實驗研究從而證實。

二、【創新成果】

近期，美國加州理工學院Yiran Zhang研究員、Stevan Nadj-Perg教授團隊為解決扭轉角調控對二維材料超導性的影響問題，他們以二硒化鎢近鄰化的伯納爾雙層石墨烯為研究對象，通過實驗探究了其中超導電性的 “無波紋” 扭曲調諧以及其他相關階數。兩種材料之間的精確對準可系統地控制誘導伊辛自旋軌道耦合（SOC）的強度，進而深刻改變相圖。隨著伊辛SOC增加，超導電性在更高的位移場下開始，且臨界溫度升高，最高達到 0.5 K。研究人員通過調諧來探索伊辛SOC如何改變BLG中的相關相位和新興超導性。這種方法提供了幾個獨特的機會：（1）可以精確量化BLG中誘導的伊辛SOC的強度；（2）誘導的SOC對扭曲角度變化的敏感度要低得多，允許精細控制；（3）接近WSe₂不會引起額外的紊亂，從而促進了再現性。如圖1所示，研究人員研究了一系列由相同的BLG和WSe₂晶體制成的BLG–WSe₂器件，并將大的BLG薄片分成多塊，第一塊BLG與WSe₂的θ?≈?0°，其余幾條相對于WSe₂依次扭曲，增量約為6°。

圖1 通過BLG和WSe₂之間的界面扭曲實現可編程伊辛SOC；? Springer Nature Limited 2025

圖2 扭曲可編程超導相圖；? Springer Nature Limited 2025

研究人員利用伊辛SOC強度的精細扭曲角控制，探索了大電位移場下SOC依賴的相關相圖。結果表明，具有不同伊辛SOC強度的器件都顯示出與強相關性和在零磁場下穩定的超導性相關特性。

圖3 向列相重分布和谷間相干性的超導性；? Springer Nature Limited 2025

圖4 交織在一起的超高泡利極限違反和向列性；? Springer Nature Limited 2025

在主超導圓頂和強伊辛SOC極限內，研究人員還發現了一種不尋常的相變，其特征是在三角扭曲的費米曲面之間空穴向列的重新分布，并增強了對平面內磁場的彈性。此外，研究人員還發現了兩個額外的超導區域，其中一個從谷間相干正常態下降，并顯示出超過40的泡利極限違反率，是所有已知超導體中最高的。

該項研究結果提供了對超潔凈石墨烯超導體的見解，并強調了在廣泛的范德華異質結構中利用無波紋扭曲工程研究充滿了潛力，研究以“Twist-programmable superconductivity in spin–orbit-coupled bilayer graphene”為題發表在國際頂級期刊Nature上，引起了相關領域研究人員熱議。

三、【科學啟迪】

總而言之，研究人員對BLG中伊辛SOC強度前所未有的控制使其能夠系統地探索內在豐富的超導區域。超導性發生在各種費米口袋配置中，值得注意的是，所有超導體對平面內磁場都表現出獨特的彈性。研究人員新發現的谷間相干結構顯示了迄今為止任何超導體的最高泡利極限違反率值。更一般地說，通過無波紋扭曲誘導可調對稱破缺場的方法可以應用于廣泛的范德華材料家族，并擴展到SOC之外，包括磁性、電荷序等，這為按需定制獨特的物質相開辟了有前景的途徑。

文獻鏈接：Twist-programmable superconductivity in spin–orbit-coupled bilayer graphene，2025，https://doi.org/10.1038/s41586-025-08959-3）

本文由LWB供稿。