最新Nature：自旋軌道耦合驅動下三層石墨烯的超導行為與自旋傾斜現象

一、【科學背景】

在凝聚態物理的研究領域中，石墨烯和過渡金屬二硫族化合物的平帶系統一直備受關注，它們呈現出極為相似的相圖，其中涵蓋了磁性與超導等多種獨特的物質狀態。但長期以來，科學界始終對磁有序與超導性之間的關系困惑不解：二者究竟是針鋒相對的“競爭者”，還是協同合作的“伙伴”？以伯納爾雙層石墨烯的研究為例，科學家發現，當增強其自旋-軌道耦合后，超導態的觀測疇顯著擴大，臨界溫度也大幅提升，然而背后的作用機制卻迷霧重重。

二、【創新成果】

美國加州大學圣巴巴拉分校Andrea F. Young團隊對自旋軌道耦合三層石墨烯的超導性與自旋傾斜展開研究。該研究發現，通過襯底鄰近效應在菱面體三層石墨烯（RTG）中引入自旋軌道耦合，能為電子和空穴摻雜產生新超導區域，最大臨界溫度T_c約為300 mK，是六方氮化硼封裝RTG的三倍。借助局域磁測，團隊觀察到超導性跨越自旋傾斜態和完全自旋谷鎖定態的轉變，這一轉變在Hartree-Fock計算中也得到驗證，其由自旋軌道耦合與載流子密度調諧的洪德相互作用競爭驅動。實驗表明，自旋軌道耦合增強超導性源于傾斜角定量變化，而非基態對稱性變化，這與近期提出的自旋傾斜順序波動助益配對相互作用的超導增強機制相符。相關研究成果已在權威科學期刊《Nature》上發表，題為“Superconductivity and spin canting in spin–orbit-coupled trilayer graphene”。

圖1 Wse₂支撐的RTG中的超導性 ? 2025 Springer Nature Limited

圖2 Wse₂支撐的RTG中的磁性 ? 2025 Springer Nature Limited

圖3 自洽的Hartree-Fock計算結果 ? 2025 Springer Nature Limited

圖4 自旋傾斜與超導性的相互作用 ? 2025 Springer Nature Limited

三、【科學啟迪】

這項研究工作聚焦于菱面體三層石墨烯，通過巧妙利用襯底鄰近效應引入自旋-軌道耦合，成功為電子和空穴摻雜創造了全新的超導區域。研究團隊揭示了超導性與特殊量子態轉變之間的緊密聯系。最終實驗證實，自旋-軌道耦合增強超導性的關鍵在于自旋傾斜角的定量變化，而非基態對稱性的改變，這一發現與近期提出的超導增強機制不謀而合，有力地推動了超導領域的理論發展，為后續相關研究指明了新的方向。

原文信息：Patterson, C.L., Sheekey, O.I., Arp, T.B. et al. Superconductivity and spin canting in spin–orbit-coupled trilayer graphene. Nature (2025).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08863-w