【自然、科学发布】多层晶态石墨烯中的关联电子和超导现象
人物介绍
周昊欣，2015年本科毕业于中国科学技术大学少年班学院，2021年在美国加州大学圣巴巴拉分校获得物理学博士学位，导师是Prof. Andrea Young。他的研究集中在二维材料范德华异质结在低温下的热力学和输运性质，包括量子霍尔效应，关联电子磁性等。相关成果发表在Nature，Science 5篇，Nature Physics 2篇，Physical Review Letter 1篇。他于2021年获得加州理工学院IQIM Postdoctoral Fellowship，继续从事相关领域的研究工作。
近期，美国加州大学圣塔芭芭拉分校的Andrea Young研究组连续发表三篇顶刊论文，研究多层晶态石墨烯中的关联电子性质。前两篇论文于2021年9月背靠背发表在《自然》（Nature 598, 429-433 (2021), Nature 598, 434-438 (2021)）杂志上，分别报告菱方三层石墨烯中观察到的分数金属相和超导电性。而第三篇发表于2022年1月《科学》杂志上的论文（Science 375, 774-778 (2022)）报告了结构更为简单的伯纳尔双层石墨烯也具有类似的性质。伯纳尔双层石墨烯和菱方三层石墨烯是二维石墨材料中仅次于单层石墨烯的最简单的同素异形体。其单电子的基态性质可以用简单的模型非常精确地描述。这一系列研究结果表明这两种体系是完善关联电子理论和一般的超导理论的理想实验平台。
对于多数固体材料而言，电子间的相互作用通常不对材料性质有显著影响，但在某些体系中，由于电子的能态高度简并，电子间的相互作用成为决定材料输运等性质的主导因素。这类材料往往具有新奇的性质，如铁磁性，超导性等。伯纳尔双层石墨烯和菱方三层石墨烯是由单层石墨晶格平移堆叠而成的二维晶体材料。与近期被广泛研究的转角石墨烯不同，它们不具有超晶格结构和扁平的能带色散关系。但由于其能带结构中特有的“范霍夫奇点”会导致电子态密度发散，这两个体系仍可表现出强关联电子的性质。
伯纳尔双层石墨烯和菱方三层石墨烯的晶体结构
石墨烯体系中的电子通常是四重简并的，这是因为电子具有自旋和谷对称性。Young团队发现，通过利用栅极电压调控体系的载流子浓度和层间电势差，伯纳尔双层石墨烯和菱方三层石墨烯中的这些对称性会发生不同程度的破缺，使得处于特定自旋和谷态的电子表现出金属的性质，而处于其他量子态的电子表现出绝缘体的性质，形成一系列的分数金属相。在主要载流子为电子时，两种体系具有简单且相似的分数金属相图。在载流子浓度较高时，电子表现出通常的四重简并金属态。随着载流子浓度的降低，体系会发生一级相变，使得自旋对称性破缺，形成自旋极化，谷简并的二分之一金属态，表现出类似于海森堡磁体的性质。进一步降低载流子浓度会打破谷对称性，形成自旋和谷极化的四分之一金属态。此时，体系具有有限的轨道磁矩，表现出反常霍尔效应。理论计算表明，两种体系的相图可以用Stoner的铁磁理论非常精确地描述。
Young团队的实验同样发现，两种体系地电子态和空穴态具有较大的差异。当主要载流子为空穴时，体系所呈现的相图比电子态更为复杂。其复杂性主要表现在体系具有多种部分极化的分数金属态。实验进一步发现，空穴掺杂的菱方三层石墨烯的某些分数金属相的边界附近存在超导现象，而在伯纳尔双层石墨烯中，超导态只有在施加一个面内磁场时才能被观察到。通常的BCS超导是由自旋相反的电子配对而导致的。磁场会使自旋极化，从而破坏超导态。由磁场诱导出的超导电性是非常少见的。尽管其机理尚不清楚，可以确定的是，导致超导的配对电子的自旋是同向的，这与目前的另一研究热点含铀化合物类似。
值得一提的是，主导这一系列实验的周昊欣是中国科学技术大学少年班学院2011级校友。其在2021年获得加州大学圣塔芭芭拉分校物理学博士学位，现于加州理工学院从事博士后研究工作，并获IQIM （量子信息和材料研究中心）奖学金。
在2021年9月16日，周昊欣博士在《施汝为系列讲座》中做了题为菱方三层石墨烯中的铁磁和超导性的报告。该报告中周昊欣博士阐述：
“I will be presenting our observation of ferromagnetism and superconductivity in rhombohedral trilayer graphene. Rhombohedral trilayer graphene is a two-dimensional electron system where three layers of graphene are stacked to form a rhombohedral lattice. The band structure of rhombohedral trilayer graphene features van Hove singularities in the low energy regime, where the density of states diverges. The van Hove singularities can be enhanced by applying an electrical displacement field perpendicular to the sample, inducing Fermi surface instability. By combining cryogenic electrical transport measurement and quantum capacitance measurement, we found the Fermi surface instability drives spontaneous ferromagnetic polarization of the electron system into one or more spin- and valley flavors. The interplay of magnetic phase transitions and the change of the Fermi surface topology lead to a complex phase diagram in the density – displacement field space. More interestingly, superconductivity is observed near some phase boundaries, featuring zero resistance below 100mK that can be eliminated by sufficiently large electrical current or magnetic field. While the major features of the magnetic phase diagram can be captured by a simple Stoner model, the origin of superconductivity remains unclear. Our observation of the ferromagnetism and superconductivity in an itinerant electronic system may enable a new class of field-effect controlled mesoscopic electronic devices combining correlated electron phenomena.”
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