▲第一作者：Ruiheng Su
通讯作者：Joshua Folk
通讯单位： 加拿大不列颠哥伦比亚大学
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01653-7
01
研究背景
确定石墨烯基系统中超导性的基本成分是二维材料研究中的一个关键问题。这一领域与凝聚态物理学中的非传统超导研究中的谜团有关。在单层石墨烯的魔角扭曲堆积中观察到了超导现象，但在双层石墨烯的扭曲堆栈中却没有明显观察到超导现象，尽管这两种体系都存在拓扑平坦带和对称性断裂态。
02
研究问题
本研究报告了在靠近 WSe2 的扭曲双层石墨烯（TDBG）中发现的超导性。扭转角分别为 1.24°和 1.37°的样品分别在价带和导带内的栅极调谐相图的小块区域实现了超导。超导电性出现在范霍夫奇点附近的非极化阶段，以及打破等空间对称性的区域旁边。本研究结果证明了高密度态与 TDBG 中超导性出现之间的相关性，同时揭示了等离子波动在配对中可能扮演的角色。
▲图1|设备表征
要点：
1.图 1a 展示了样品结构，包括带有双静电栅极的 TDBG 和 WSe2 层。器件被图案化成霍尔条，并在稀释箱中对纵向（Rxx ≡ dVxx/dI）和横向（Rxy ≡ dVxy/dI）差分电阻进行了锁定测量，使用顶栅（Vtg）和背栅（Vbg）电压设置了 ν 和 D。图 1b 和 c 分别显示了 D1 和 D2 的电阻率图，与前人报道的扭转角为 1.2° 至 1.3°的 TDBG 样品的数据基本一致。特别是，在导带中出现了电阻率较高的晕区（浅蓝色）。这些区域被 ν = 2 处的附加绝缘态一分为二。在价带中，ν = -2 附近的 D = 0 处有微弱的对角线特征交叉。
2.本研究将 Rxx 数据的 B = 0 线切割与平面外磁场 B⊥ = ±0.8 T 时获得的霍尔测量结果进行比较（图 1e-h），发现低电阻特征的栅极电压位置与伴随相反载流子类型之间过渡的范霍夫奇点相邻。霍尔系数 RH ≡ Rxy/∣B⊥∣归零，霍尔密度 nH ≡ 1/（eRH）（其中 e 为电子电荷）发散并改变正负符号，这些位置就是范霍夫奇点。为了便于解释，本研究在此报告霍尔填充度 νH ≡ 4nH/ns，即以完全填充的摩尔带 ns 的测量载流子密度归一化的霍尔密度，再加上四因子以考虑自旋和谷变性（图 1f和h）。
▲图2|超导性的特征
要点：
1.图 2 显示了低电阻状态对直流电 Idc 和 B⊥ 的极细微关系，从而证实了超导的存在。本研究主要关注 D1 中的较强状态（图 2a）。图 2b,c 对比了超导袋中 Rxx = 0 状态的 Idc 击穿。比较纳安培级临界电流时 dV/dI 的尖锐峰值与 {ν, D} 附近位置近乎平坦的 dV/dI(Idc) 曲线。通过积分 dV/dI(Idc)得到的 V(Idc) 曲线的温度依赖性显示了二维超导体从低温下的阶梯状转变到 100 mK 以上的欧姆依赖性的经典演化过程（图 2d）。
2. D1 的 dV/dI(Idc)（图 2e）与 B⊥ 的关系最清楚地表明了超导性。临界电流随 B⊥ 的反复塌缩和恢复也被称为 “FraunHofer pattern”，它产生于通过约瑟夫森结的传输的量子干涉，就像超导量子干涉器件的量子干涉一样，通常在 TBG 实验中被用来确认超导性。波动的特征场尺度 ΔB⊥ = 2-3 mT，与接近霍尔条宽度1 μm 的畴尺寸相符，其中 Φ0 = h/(2e) 是超导通量量子。D2 的等效数据（图 2f）缺乏 D1 的FraunHofer调制，这让人联想到其他低锝石墨烯超导体。
▲图3| D1 中的超导性指标
要点：
1.图 3 显示了 D1 的超导度量是如何随带填充而变化的。在每个 ν 值上，超导率随 B⊥ 的坍缩（图 3a）可用于确定临界平面外磁场 Bc⊥，该磁场被定义为电阻上升到正常状态值一半的磁场。通过测量 Bc⊥ 与温度的函数关系，可以推断出零温度时的值（图 3d）。如果 Bardeen-Cooper-Schrieffer 理论适用于该系统，那么就可以确定金兹堡-朗道相干长度。在大部分超导穹顶上，ξGL 约为 100 nm，与平均自由路径 ℓm ≃ 200 nm 相当，这可以从 400 mT 左右的舒布尼科夫-德-哈斯振荡开始时估算出来。
2.图 3c 显示了超导电性随 B∥ 的衰减。为了进行定量分析，Bc∥的定义是 Rxx 达到其正常状态电阻一半的阈值。Bc∥ 的温度依赖性可以拟合为现象学关系，该关系常用于保利限制超导（图 3e），并将得到的 B0c∥ 与假设 g = 2 的 BP 值进行比较。D1 的 PVR 比率在穹顶的大部分区域介于 2 和 3 之间（图 3c），而 D2 在最佳掺杂条件下则小于 1。最近对魔角扭曲石墨烯单层家族超导性的研究也发现了类似的抗平面磁场断对的能力，这在很大程度上取决于石墨烯堆积的层数。
▲图4|范霍夫奇点与等时空极化相位
要点：
1.相反，在 TDBG 中，本研究发现超导电性出现在等空间非极化带中，与具有等空间极化趋势的区域相邻。图 4 展示了在 TDBG 中进行的霍尔测量，说明了这种相关性。霍尔填充νH 与总填充ν的偏差为±1、±2 或±3，当异空间对称性断裂使相应数量的带完全填充时（因此对νH 没有贡献），因此减去的霍尔填充νH–ν可以探测带极化情况。
2.图 4d,e 显示了 D2 价带的 νH - ν，突出了 B∥ 对该样品等空阶的影响。当 B∥ = 0 时，νH - ν 通过 D < 0 时的范霍夫奇点直接在 0 和 4 之间跃迁（图 4d）。在 B∥ = 3 T 时，IF2 等空素铁磁体的裂片出现在 D = ±0.1 V nm-1 左右，而在 B∥ = 0 时，D ≃ +0.1 V nm-1 时已经可以看到这种状态的迹象。图 4e 中绘制了 D = +0.08 和 -0.08 V nm-1 时的线切割图。在 D1 价带中没有发现类似的现象。
03
结语
本研究凸显了近基底界面和摩尔势在范德华异质结构中建立新基态方面的显著影响。在石墨系统中，越来越多的证据表明：具有等空间极化倾向的电子态与有利于超导的电子态之间存在相关性（但不是重叠），本研究的发现为这些证据增添了新的支撑。超导性在 TDBG 相图特定区域的局部化促使人们进一步开展实验和理论研究，以分离出导致这一现象的电子结构的关键因素。确定这些因素将对我们理解石墨范德华异质结构的超导性产生广泛影响。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01653-7
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