上海交通大學/武漢大學，Nature！
特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。基於石墨烯的高質量二維電子系統已成爲研究超導性的高度可調平臺。具體而言，在電子和空穴摻雜的扭曲石墨烯莫爾系統中都觀察到了超導性。儘管石墨烯中的固有自旋軌道耦合 (SOC) 效應可以忽略不計，但可以通過鄰近效應誘導 SOC，即通過將石墨烯與過渡金屬二硫屬化物層直接接觸。實驗表明，這種範德華 SOC 鄰近法是設計石墨烯基系統物理性質的重要調節旋鈕。在晶體石墨烯系統中，迄今爲止僅在空穴摻雜的菱面體三層石墨烯 (RTG) 和空穴摻雜的 Bernal 雙層石墨烯 (BBG) 中觀察到了超導性。2、石墨烯莫爾系統和晶體石墨烯系統中超導的具體配對機制仍不清晰石墨烯莫爾系統和晶體石墨烯系統中超導的具體配對機制仍然是一個正在進行的研究課題。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味對稱性破壞相，但迄今爲止僅在價帶中觀察到超導性。 有鑑於此，上海交通大學李聽昕、劉曉雪和武漢大學吳馮成等人報告了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性和一系列對稱性破壞相。觀察到的超導強度可通過施加的垂直電場進行調節。電子和空穴摻雜超導的最大Berezinskii-Kosterlitz-Thouless轉變溫度分別約爲 210 mK 和 400 mK。僅當施加的電場將BBG電子或空穴波函數驅動至WSe2 層時，纔會出現超導性，這強調了WSe2層在觀察到的超導性中的重要性。空穴摻雜的超導性違反了Pauli順磁極限，與Ising型超導體一致。相比之下，電子摻雜的超導性遵循Pauli極限，儘管鄰近誘導的Ising自旋軌道耦合在導帶中也很明顯。該研究結果突出了與BBG中的導帶相關的豐富物理特性，爲進一步研究結晶石墨烯的超導機制和基於BBG的超導器件的開發鋪平了道路。1、探究了BBG/WSe2器件中電子和空穴摻雜的超導性 作者展示了BBG/WSe2器件在零磁場下縱向電阻Rxx 與 D 和 n 的關係，觀察到兩個顯著的有限摻雜超導區域。作者展示了在空穴摻雜側 D=1.1 Vnm−1處測量的Rxx與垂直磁場B⊥和 n 的關係，分析了空穴摻雜側的量子振盪。作者展示了在D=1.55 V nm−1和−1.55 V nm−1時電子摻雜時Rxx與B⊥ 和 n 的關係，表明了PIP費米海對於該系統超導配對的重要性。作者分析了在空穴摻雜和電子摻雜時Rxx隨n和T的變化，表明空穴摻雜超導性對施加的B∥=1 T具有彈性，而電子摻雜超導性在低B∥≈0.2 T時被抑制。本工作報告了在BBG/WSe2系統中觀察到的可調超導性。受益於該裝置中實現的高垂直電位移場D，首次在結晶石墨烯中觀察到電子摻雜的超導性。2、獲得了單晶石墨烯系統中觀察到超導轉變溫度的最高記錄通過優化樣品製備方法，作者成功製備出高質量雙層石墨烯與二硒化鎢異質結樣品，空穴端和電子端的超導態強度都可以通過外加的垂直位移電場進行有效調節，實驗上測量到的最高超導轉變溫度分別約爲450 mK和300 mK。作者展示了BBG/WSe2器件的幾何形狀，顯示了在零磁場下縱向電阻Rxx 與 D 和 n 的關係，涵蓋了電子和空穴摻雜區域。在Rxx-D-n圖中可以觀察到一系列以Rxx中的峯值或谷值爲特徵的相變，測量的Rxx表現出明顯的電子-空穴不對稱和D場不對稱。在n-D相圖中出現了兩個顯著的有限摻雜超導區域，這兩個區域都對應於摻雜載流子極化到頂部石墨烯層的情況。在空穴摻雜超導的最佳 D和n下，Tc約爲 450 mK，估計TBKT約爲400 mK，比之前的研究高出約 1.7 倍。在電子摻雜方面，在可實現的D範圍內，Ic和Tc隨着|D|的增加而增加，但呈現飽和趨勢。最大Tc和TBKT分別約爲300 mK和210 mK。 作者展示了在空穴摻雜側 D=1.1 Vnm−1處測量的Rxx與垂直磁場B⊥和 n 的關係。結果表明，在空穴密度低於超導區時，可以識別出兩個頻率，表明該狀態具有六個較小的費米口袋和六個較大的費米口袋。相比之下，在D=−1.1 V nm−1時，FFT 頻率峯值僅出現在fν=1/12 處，對應於自旋和谷對稱的費米麪。在超導區域內，對正常態量子振盪的FFT分析表明，譜權重主要集中在略小於 1/2的頻率和低頻處，對應於具有兩個主費米袋和多個小費米袋的部分同位旋極化相。BBG/WSe2系統表現出類似的費米麪條件，但在環形費米海中缺乏可觀察到的超導相，突出了這兩個系統之間的明顯區別。作者展示了在D=1.55 V nm−1和−1.55 V nm−1時電子摻雜時Rxx與B⊥ 和 n 的關係。在D=1.55 V nm−1和高電子密度下，費米麪自旋和谷對稱，簡併度爲四倍。隨着電子密度的降低，對稱性破壞發生，使費米麪簡併度降低到兩倍，最後降低到一倍。此外，理論計算定性地捕捉到了費米麪隨電子摻雜密度的演變。與空穴摻雜超導性類似，電子摻雜超導性同樣僅在電子波函數調至接近 WSe2層時纔會出現，並且它也起源於具有PIP2費米麪的正常狀態。觀察結果再次表明了PIP費米海對於該系統超導配對的重要性。最後，作者分析了在D=0.96 V nm−1（空穴摻雜）和D=−1.64 V nm−1（電子摻雜）時Rxx隨n和T的變化。在空穴摻雜側和在電子摻雜側處，超導配對強度相當，但對平面磁場B∥的響應卻大不相同。在n的一定範圍內，空穴摻雜超導性對施加的B∥=1 T具有彈性，而電子摻雜超導性在低得多的B∥≈0.2 T 時被完全抑制。空穴摻雜超導性與 Ising 超導性的現象學一致，它是由WSe2 近場誘導的 Ising SOC 引起的。然而，在電子摻雜超導性中觀察到的對B∥ 的有限恢復力更令人費解，需要進一步的理論和實驗研究來了解BBG/WSe2系統中電子摻雜超導PVR降低的根本機制。 總之，作者揭示了由n和D調整的豐富相圖，用於與單層WSe2接近的空穴和電子摻雜的 BBG。本研究結果突出了與BBG中的導帶相關的豐富物理特性，表明了BBG/WSe2中電子和空穴摻雜超導性之間的相似之處和差異。電子摻雜超導性並不表現爲Ising 類超導體這一觀察結果表明WSe2在穩定BBG中的超導性方面的作用可能不僅僅歸因於Ising SOC。這些觀察結果爲理解結晶石墨烯系統中超導機制的理論模型提供了實質性的限制。 Li, C., Xu, F., Li, B. et al. Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07584-w納米人學術QQ交流羣
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