基于石墨烯的高質(zhì)量二維電子系統(tǒng)，已經(jīng)成為研究超導(dǎo)性的高度可調(diào)平臺。具體來說，在電子和空穴摻雜的扭曲石墨烯渦流體系中都觀察到了超導(dǎo)性，而在晶體石墨烯體系中，迄今為止僅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)中觀察到超導(dǎo)性。

最近，由于接近單層WSe₂, BBG中的超導(dǎo)性得到了增強。

在此，來自武漢大學(xué)的吳馮成&上海交通大學(xué)的劉曉雪和李聽昕等研究者報道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(dǎo)性和一系列風(fēng)味對稱性破缺相。相關(guān)論文以題為“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”于2024年06月19日發(fā)表在Nature上。

雖然石墨烯中的固有自旋軌道耦合(SOC)效應(yīng)可以忽略不計，但可以通過石墨烯與過渡金屬二硫化物層直接接觸的鄰近效應(yīng)來誘導(dǎo)SOC。

在實驗中，這種范德華SOC接近方法已被證明是石墨烯基系統(tǒng)物理性質(zhì)工程的重要調(diào)節(jié)旋環(huán)。例如，鄰近誘導(dǎo)的Ising SOC被認為是穩(wěn)定BBG/WSe₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)狀態(tài)的關(guān)鍵因素。

然而，石墨烯波紋體系和結(jié)晶石墨烯體系中超導(dǎo)的具體配對機制仍是一個正在進行的研究課題。相比之下，在結(jié)晶石墨烯中，雖然在導(dǎo)帶和價帶都觀察到相互作用驅(qū)動的風(fēng)味對稱性破壞相，但迄今為止僅在價帶觀察到超導(dǎo)性。

本文報道了在BBG/WSe₂體系中觀察到的可調(diào)諧超導(dǎo)性。得益于該器件可實現(xiàn)的高垂直電位移場D，首次在結(jié)晶石墨烯中觀察到電子摻雜的超導(dǎo)性。

BBG/WSe₂器件的幾何結(jié)構(gòu)如圖1a所示，其中V_top和V_back雙柵極可以獨立控制BBG中的D和載流子密度n。圖1d顯示了零磁場下縱向電阻Rxx隨D和n的函數(shù)，同時覆蓋了電子和空穴摻雜區(qū)域。在測量的D和n范圍內(nèi)，由于圖1b所示的i型帶對準，WSe₂層保持電荷中性。

在R_xx-d-n圖中可以觀察到一系列以R_xx峰或低谷為特征的相變。圖1e是根據(jù)圖1d和量子振蕩費米面分析得出的相圖。值得注意的是，測量的R_xx表現(xiàn)出明顯的電子-空穴不對稱和d場不對稱。電子-空穴不對稱與BBG中導(dǎo)帶和價帶的不對稱帶結(jié)構(gòu)有關(guān)(圖1c)。

d場不對稱與鄰近誘導(dǎo)的Ising SOC效應(yīng)僅在靠近WSe₂層的石墨烯頂層顯著有關(guān)。在研究者的器件中，在正D時，空穴波函數(shù)集中在BBG的頂層，電子波函數(shù)集中在BBG的底層;在負D處，空穴波函數(shù)集中在BBG的底層，電子波函數(shù)集中在BBG的頂層。

因此，顯著的自旋分裂要么發(fā)生在導(dǎo)帶(D < 0)，要么發(fā)生在價帶(D > 0)，如圖1c所示。在實驗中，研究者的器件估計的Ising SOC強度λI約為1.7 meV。

在這里，研究者報道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(dǎo)性和一系列風(fēng)味對稱性破缺相。觀察到的超導(dǎo)性的強度可以通過施加垂直電場來調(diào)節(jié)。

電子摻雜和空穴摻雜超導(dǎo)的最大berezinski-kosterlitz-Thouless轉(zhuǎn)變溫度分別約為210 mK和400 mK。只有當外加電場驅(qū)動BBG電子或空穴波函數(shù)向WSe₂層移動時，超導(dǎo)性才會出現(xiàn)，這強調(diào)了WSe₂層在觀察到的超導(dǎo)性中的重要性。

空穴摻雜的超導(dǎo)違反了泡利順磁極限，符合伊辛類超導(dǎo)體。相比之下，電子摻雜的超導(dǎo)性服從泡利極限，盡管在導(dǎo)帶中鄰近誘導(dǎo)的伊辛自旋軌道耦合也很明顯。

該發(fā)現(xiàn)突出了與BBG中傳導(dǎo)帶相關(guān)的豐富物理特性，為進一步研究晶體石墨烯的超導(dǎo)機制和基于BBG的超導(dǎo)體器件的開發(fā)鋪平了道路。

圖1 BBG/WSe₂的相圖及電子和空穴摻雜的超導(dǎo)性。

圖2 空穴摻雜超導(dǎo)的費米表面分析。

圖3 電子摻雜超導(dǎo)的費米表面分析。

圖4 空穴摻雜和電子摻雜超導(dǎo)的面內(nèi)磁場依賴性。

綜上所述，了解晶體石墨烯體系和扭曲石墨烯體系中的超導(dǎo)配對機制，仍然是凝聚態(tài)物理中最重要和最有趣的問題之一。在所有基于石墨烯的超導(dǎo)體中，BBG提供了最簡單的平臺來理解出現(xiàn)的超導(dǎo)性。

此外，與其他石墨烯超導(dǎo)體相比，BBG的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是一個顯著的優(yōu)勢，使高質(zhì)量器件的可重復(fù)性制造成為可能。研究者揭示了由n和D調(diào)諧的空穴和電子摻雜的BBG與單層WSe₂近似的豐富相圖。在BBG中，在大D場中出現(xiàn)的風(fēng)味對稱性破壞相與在菱形堆積的多層石墨烯中觀察到的非常相似。

空穴和電子摻雜的超導(dǎo)性都與PIP₂費米表面的出現(xiàn)和與WSe₂的接近有關(guān)。該研究結(jié)果突出了BBG中與傳導(dǎo)帶相關(guān)的豐富物理特性，表明了BBG/WSe₂中電子摻雜和空穴摻雜的超導(dǎo)性之間的異同。

觀察到電子摻雜的超導(dǎo)不表現(xiàn)為Ising類超導(dǎo)體，這表明WSe₂在穩(wěn)定BBG超導(dǎo)性中的作用可能不僅僅歸因于Ising SOC。

這些觀察結(jié)果，為理解晶體石墨烯系統(tǒng)中超導(dǎo)機制的理論模型提供了實質(zhì)性的限制。

【參考文獻】

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

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w