石墨烯，又一篇Science

▲第一作者：Yiran Zhang, Robert Polski

通讯作者：Stevan Nadj-Perge

通讯单位：美国加州理工学院

DOI: 10.1126/science.abn8585

01
背景介绍

在许多石墨烯超晶格结构中已经实现了丰富的量子电子相图，但迄今为止，强的超导电性仅限于扭曲双层石墨烯(TBG)和扭曲三层石墨烯(TTG)。值得注意的是，与TBG相比，TTG表现出更大的电场可调性、泡利极限破坏和更强的耦合超导电性。尽管这些观察到的差异可能作为识别这些系统的超导起源的线索，但我们识别真正普适性特征的能力最终受到缺乏强健的超导莫尔材料的限制，这表明进一步的进展在于发现其他摩尔超导系统。

石墨烯莫尔超晶格显示出大量相关的绝缘相、拓扑相和超导相。尽管强相关性和非平凡拓扑的起源可以直接与平带联系起来，但超导性仍然是个谜。

02
本文亮点

1. 本工作证明了由扭曲的三层、四层和五层石墨烯，通过耦合在单层二硒化钨上制成的魔角器件，表现出味极化(flavor polarizatio)现象和超导性。

2. 本工作还观察到在有限电位移场中出现的三层和四层的绝缘状态。随着层数的增加，超导电性在一个增强的填充因子范围内出现，并且在五层时，超导电性远远超出了每摩尔晶胞填充4个电子的范围。

3. 本工作的结果强调了石墨烯莫尔超晶格中平坦和更多色散带之间的相互作用在扩展超导区域中的作用。

03
图文解析

▲图1. 交替扭曲的石墨烯多层中的超导性和相关绝缘体

要点：

1、我们研究了扭曲的石墨烯多层膜，其中每一个连续的层是扭曲的角度± θ相对于前一个在一个交替的序列(图1A)。对于偶数n层，零位移场D处的光谱被期望分离成n/2个独立的TBG-like带，每个带具有不同的有效扭转角。

2、当层数n为奇数时，除了(n-1)/2个TBG-like带外，还预期有一个单层石墨烯(MLG)-like带(本质上是一个狄拉克锥)。通过应用位移场D，可以方便地修改系统，该位移场D可控制地混合不同波段的(图1B)。我们发现，TTG、TQG和TPG都表现出强关联(图1, C至E)的特征，包括强超导电性和味道对称性破缺，在某些整数填充因子ν附近表现出明显的电阻峰。

3、我们还检测到TQG在电荷中性附近的有限D场中出现了绝缘状态。然而，与TTG相反，TQG的绝缘状态只能通过D诱导的杂化来解释。值得注意的是，在TTG和TQG中检测到的绝缘间隙意味着我们的样品中存在着低水平的无序状。

4、当与其他最近的实验结合时，这些观察结果肯定了整个石墨烯莫尔系统中超导的非常规性质。此外，对三到五层的测量表明，尽管存在共存的色散带以及表面上增加了对无序性的脆弱性--既来自额外的扭曲角，也来自对层间相对位移的敏感性，但层的增加促进了更广泛的填充窗口(filling window)的超导性。

▲图2. TTG、TQG和TPG相图以及电场可调控的超导性

▲图3. TTG、TQG和TPG中超导性、味对称性破缺相变和van Hove奇异性之间的相互作用

要点：

1、除了显著的ν -依赖性外，观察到的超导口袋(superconducting pockets)是高度可调的电位移场D (图2)。然而，对三种结构的比较发现，TQG和TPG比TTG的可调性更强。这在超导电性被测量的填充范围(图2 , A至C)和临界温度Tc(图2,D至F)的D依赖演化中都很明显。

2、所有器件中Tc对D的依赖性与TTG的预测定性相符，但有一个明显的例外：观察到的超导性消失和Tc的衰减在D中似乎是线性的，这与对具有斜面堆叠的多层石墨烯的预测一致，与弱耦合理论中通常预期的指数"尾巴"相反。

3、本工作通过比较TTG、TQG和TPG中超导区域的位置以及霍尔密度随D和ν的演化，进一步揭示了超导相与关联修正费米面之间的复杂关系(图3)。与之前的TBG和TTG测量一样，我们观察到了对称性破缺的电子跃迁(过渡的"级联")，它是由霍尔密度量级(a '重置')的突然下降引起的，没有符号的变化。这些重置表明自旋和谷子带的重新排列，并且通常发生在平坦带的整数填充附近。

4、在低D场下，|ν|=2附近的超导口袋会重置(紫色虚线)，并且超导的填充程度取决于|ν|=3味对称破缺跃迁(灰色虚线)的存在与否。对于电子和空穴掺杂的TTG以及电子掺杂的TQG (图3,A,B,D)，在|ν|=3附近出现了味对称性破缺相变，超导电性也随之终止。相比之下，当完全没有|ν|=3重置的迹象时(例如在空穴掺杂的TQG或TPG)，超导性会延伸。

5、总的来说，这些观察表明，当四种中只有两种主要填充(|ν|=2级联)并被抑制在|ν|=3重置之外时，超导电性是有利的。这种行为可以在级联场景最简单的迭代中理解：与|ν|=3相关的重置会产生自旋和谷极化的能带，自然地不利于时间反转伙伴(time-reversed partners)的库珀配对。

▲图4. TPG中扩展的超导pockets

要点：

1、观察到的超导电性表现出与三层和四层样品相似的Tc和Bc值，同样伴随着微弱的临界电流振荡模式(图4C)，证实了超导相干性。我们强调，在TPG (与TTG或TBG相比,TQG也是如此)的一个大的填充因子范围内，超导电性的前所未有的持久性不能在交替扭曲的石墨烯多层的最小框架中解释，而不需要调用额外的带的非平凡的作用。额外的带在TPG中的作用值得仔细考虑，因为它对相互作用强度的影响和超导性的类型。

2、我们的测量表明，随着层数从3层增加到5层，超导电性在扭曲石墨烯多层结构中的优势越来越大，并突出了味对称破缺相变与超导电性之间的密切关系。

3、此外，我们的研究结果表明，对称破缺ν=±2态强烈地有利于超导态的形成，而ν=±3对应的级联则抑制了超导态的形成。

4、值得注意的是，这个方案不仅与以前的TBG和TTG观测结果一致，而且部分地与最近研究的ABC三层膜和Bernal双层膜在有和没有WSe₂衬底的情况下是一致的，其中在近相或相内观察到超导电性。

5、在此背景下，TQG和TPG中超导电性的发现以及最近关于无扭曲双层和三层超导体的工作大大扩展了基于石墨烯的超导体的范围。这一扩展有望解决这些系统中与配对机制的性质有关的问题，并为开发新型石墨烯基超导体及其应用提供指导。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8585

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