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Science：石墨烯摩尔超晶格超导性研究迎来重大突破
- by wittx 2022-10-03
石墨烯摩尔超晶格具有丰富的关联绝缘、拓扑和超导相。目前，强关联和非平凡拓扑的起源与平带之间的直接联系已经被建立起来，然而对于超导的性质研究和理解依然处于起步阶段。对于石墨烯来说，研究已经证明通过适当扭曲石墨烯双层/三层可获得超导性。而为了获得对这些莫尔超晶格超导电性的统一的理解和认识，亟需增加石墨烯莫尔超导体的种类。
【成果简介】
有鉴于此，加州理工学院的Stevan Nadj-Perge（通讯作者）等人制备了由三层、四层和五层石墨烯层组成的样品，这些石墨烯层以交替顺序相互扭曲，随后被耦合到二硒化钨的单层基底上形成魔角器件。研究不仅发现这些器件展现出了味极化（flavor polarization）现象和超导性，还在有限电位移场中观察到三层/四层石墨烯具有绝缘态。随着层数的增加，超导性可在受强化填充因子范围内出现；而在五层石墨烯中，超导性更是远远超越了四电子每摩尔晶胞的填充。该研究结果强调了平带和较为色散带之间的相互作用对于提升石墨烯摩尔超晶格的超导性具有重要影响。2022年9月29日，相关成果以题为“Promotion of superconductivity in magic-angle graphene multilayers”的文章发表在Science上。
【图文导读】
图1 交替扭曲石墨烯多层中的超导性和关联绝缘体© 2022 American Association for the Advancement of Science.
图2 扭曲三层石墨烯（TTG）、扭曲四层石墨烯（TQG）和扭曲五层石墨烯（TPG）相图以及电场可调超导性© 2022 American Association for the Advancement of Science.
图3 TTG、TQG和TPG中超导性、味对称破缺转变和范霍夫奇点之间的相互作用© 2022 American Association for the Advancement of Science.
图4 TPG中扩展的超导pockets© 2022 American Association for the Advancement of Science.
【结论】
该研究所阐释的测量实验表明，随着层数从三层增加到五层，扭曲石墨烯多层结构中超导性的优势越来越明显，同时也发现，味对称破缺转变与超导性之间存在着密切的关系。进一步的研究显示，对称性破缺的ν=±2态非常有利于超导态的形成，而相应的ν= ±3则会抑制超导态的生成。更重要的是，这种情况不仅与TBG和TTG测量结果相一致，而且部分与ABC三层和Bernal双层相一致。因此，这些共性研究表明，在所有这些石墨烯超导体中，具有类似极化类型的对称破缺态是超导电性的基础。在这一背景下，TQG和TPG超导性的发现以及最近对无扭曲双层和三层石墨烯的研究大大扩展了石墨烯超导体的范围。这一研究进展有望解决超导系统中长期存在的配对机制问题，并为开发新型石墨烯超导体及其应用提供指导。
文献链接：Promotion of superconductivity in magic-angle graphene multilayers（Science, 2022, DOI: 10.1126/science.abn8585）
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