Science：三层夹心结构石墨烯中的强相互作用高温超导

纳米技术

2021-02-08

2018年，麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero教授和曹原等首次在石墨烯中实现了基于“自旋电子学”的相关实验，具体通过将双层堆叠石墨烯的角度调节为1.1°，产生了超导现象。随后，人们在van der Waals异质结中将层进行扭转调节moiré超晶格，产生了广泛的量子现象。

进一步的，哈佛大学Philip Kim等报道了一种三层石墨烯堆叠结构，研究了随扭转角度±θ变化过程。在达到理论预测的能够形成平带电子能带的魔角角度，即扭角θ~1.56°，观测到位移场可调控超导，通过调控最高达到2.1 K临界温度。

本文要点：

（1）

在这种三层魔角石墨烯体系中，发现比双层魔角石墨烯体系中更强的、温度更高的超导现象。

而且，作者发现这种魔角石墨烯对外部电场非常敏感，研究者能够调控电场控制超导。通过调控掺杂能级、位移场，发现超导现象能够在moiré能带的极化相关，在较高的位移场作用中发现其边界为范霍夫奇点vHS（van Hove singularity）。

（2）

本文共同第一作者郝泽玉（Zeyu Hao）对此评价“该体系能够让研究者从一个新的角度观测超导作用，从而更加深入的理解驱动超导作用的产生原因和机制”。

理论学家对这种超导体系非常感兴趣，三层石墨烯体系展示了其中的超导作用是不同电子之间的强相互作用导致，如果这种强相互作用电子导致超导的作用机理被人们发现是正确的，那么将为高温超导、量子计算等领域的进一步发展绘制更加广阔的前景。

这是因为，在大多数传统超导体中，电子以高速进行运动，只有在偶然的条件中才能够遇到，产生相互作用。因此，在基于传统理论的超导体中，电子之间呈现弱相互作用。

（3）

弱相互作用超导、强相互作用超导之间的对比。在弱相互作用的超导体中，当温度增加至数个Kelvin，弱相互作用超导现象将消失；然而强相互作用超导现象则能够保持，比弱相互作用超导能够在更高的温度中存在，但是这种作用中的超导机制还没有得到非常合理的解释。

目前在三层魔角石墨烯中这种简单可调控的系统中发现的强相互作用超导，为进一步发展强相互作用超导的理论、为发展具有高温，甚至室温超导的超导体提供指导和经验。

参考文献

Zeyu Hao et al. Electric field tunable superconductivity in alternating twist magic-angle trilayer graphene, Science 2021,

DOI: 10.1126/science.abg0399

https://science.sciencemag.org/content/early/2021/02/03/science.abg0399