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(tái)。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(qiáng)。

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(bào)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(duì)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(jì)，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(shí)驗(yàn)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(rèn)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(duì)機(jī)制仍是一個(gè)正在進(jìn)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(jià)帶都觀察到相互作用驅(qū)動(dòng)的風(fēng)味對(duì)稱性破壞相，但迄今為止僅在價(jià)帶觀察到超導(dǎo)性。

本文報(bào)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(shí)現(xiàn)的高垂直電位移場(chǎng)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(dú)立控制BBG中的D和載流子密度n。圖1d顯示了零磁場(chǎng)下縱向電阻Rxx隨D和n的函數(shù)，同時(shí)覆蓋了電子和空穴摻雜區(qū)域。在測(cè)量的D和n范圍內(nèi)，由于圖1b所示的i型帶對(duì)準(zhǔn)，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(fèi)米面分析得出的相圖。值得注意的是，測(cè)量的R_xx表現(xiàn)出明顯的電子-空穴不對(duì)稱和d場(chǎng)不對(duì)稱。電子-空穴不對(duì)稱與BBG中導(dǎo)帶和價(jià)帶的不對(duì)稱帶結(jié)構(gòu)有關(guān)(圖1c)。

d場(chǎng)不對(duì)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(shí)，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(fù)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(jià)帶(D > 0)，如圖1c所示。在實(shí)驗(yàn)中，研究者的器件估計(jì)的Ising SOC強(qiáng)度λI約為1.7 meV。

在這里，研究者報(bào)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(duì)稱性破缺相。觀察到的超導(dǎo)性的強(qiáng)度可以通過施加垂直電場(chǎng)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(dāng)外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)BBG電子或空穴波函數(shù)向WSe₂層移動(dòng)時(shí)，超導(dǎo)性才會(huì)出現(xiàn)，這強(qiáng)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(jìn)一步研究晶體石墨烯的超導(dǎo)機(jī)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(fèi)米表面分析。

圖3 電子摻雜超導(dǎo)的費(fèi)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(chǎng)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(duì)機(jī)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(jiǎn)單的平臺(tái)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(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)中出現(xiàn)的風(fēng)味對(duì)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(fèi)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(jī)制的理論模型提供了實(shí)質(zhì)性的限制。

【參考文獻(xiàn)】

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