又是中科大少年班！他，1天连发2篇Nature之后，再发Science，专注一个领域！

纳米人

2022-02-23

第一作者：周昊欣

通讯作者：Andrea F. Young

通讯单位：加州大学圣塔芭芭拉分校

在经典超导体中，自旋方向相反的电子对能形成Cooper对。有鉴于此，加州大学圣塔芭芭拉分校Andrea F. Young等报道在Bernal双层石墨烯中观测发现自旋极化超导现象，这种现象产生的原因是在较高的垂直电场中，双层石墨烯中形成对应于马鞍点的范霍夫奇点。这项工作基于结构简单的石墨烯双层材料，为更好的理解超导提供机会，有助于发展可操作的超导材料。由于该工作具有非常重要的意义，于韦斯屈莱大学Tero T. Heikkilä对此进行评述。

研究背景

石墨烯材料能够作为研究奇异电子态的平台，比如超导现象。目前人们在石墨烯材料中发现超导现象，但是在之前的研究报道中一般测试样品的超导相关物理性质无法稳定存在，因此无法深入理解体系的超导效应。

石墨烯中的超导现象是个非常有意思的过程。单层石墨烯材料能带没有打开，因此无法用于电子学器件，无法构建具有开关功能的逻辑电路。2009年，人们发现双层石墨烯分别与金属导电极相接构成晶体管，能够形成可调节的能带，并且通过普通数值控制电压（向导带注入电子或者从价带中除去电子），实现逻辑开关。

图1.电/磁场调控双层石墨烯超导

进展

在这篇工作中，作者发现当对双层石墨烯处于合适的电场和磁场，双层石墨烯材料中可以形成发超导效应，这种双层石墨烯的超导状态能够在非常强的磁场中存在的现象非常罕见，因为一般以往的研究中认为超导现象是无法在强磁场中存在。

作者通过静电门控，在双层石墨烯中实现了一连串不同电子相之间的变化，能够在自旋和动量空间确定的谷自由度的空间内观测同位自旋。

在接近导通状态和较低的温度，通过电子相互作用能够改变能带结构，破坏能带的对称性。因此，作者对双层石墨烯的电阻随磁场变化的规律进行研究，发现在磁场变化过程产生相变的自旋/波谷对称性破缺电子结构现象。其中自旋时电子的本征量子性质和波谷描述了能带的形状。

图2. 对称破缺同位电子自旋变化

当将双层石墨烯从室温冷却至低于30 mK，在特定电场或者磁场作用将产生超导现象：在零磁场条件的金属态的石墨烯，当施加平行于2D纳米片的磁场B_||≈150 mT，材料转变为超导态；这种超导态对应于对称破缺转变点，而且只能在顺磁性超导体、并且在T_c≈30 mK临界温度和磁场强度超过B_||阈值时产生，这个温度与自旋三重态的排布规律一致。

图3.磁场与超导的关系

总结

在这篇工作的实验结果无法说明声子超导机理是不可行，为了更加深入的理解超导理论，还需要进一步的深入研究。这种Bernal双层石墨烯能够形成高质量超导效应，以高产率实现可重复的形成超导，而且Bernal双层石墨烯体系能够用于讨论和深入研究电子成对对称性问题，比如对于相变化敏感的杂化超导环体系。本文研究中出现的Van Hove奇点在各种石墨烯多层体系中普遍存在，因此这种通过场效应调控形成超导现象的作用可能在包括其他多层石墨烯的体系中作为一种普适性现象。

展望

目前石墨烯中电子对的形成机理还没有合理的解释，通常人们认为异常的电子成对是实现优异超导作用的关键。目前人们通过常规的机理解释超导现象，其中电子成对与晶格振动作用有关，石墨烯的奇异超导效应源自石墨烯的独特能带结构。

另外，石墨烯材料的磁场和超导效应的相互作用规律、自旋单重态/自旋三重态之间的竞争性在超导中起到的作用、三重态的激子性质同样是非常重要的课题。这些问题的意义是有助于实现在更加广阔的温度区间在材料中实现超导。

参考文献：

Andrea F. Young et al. Isospin magnetism andspin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene, Science 2022,

DOI: 10.1126/science.abm8386

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8386

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn9631

值得一提的是，本文第一作者周昊欣出身于中科大少年班11级，现在加州理工学院从事博士后研究。2021年9月1日，周昊欣在攻读博士学位期间，一天之内以第一作者连续发表2篇Nature，都是关于三层石墨烯研究。

在二维纳米器件中，基于电场效应获得超导性是纳米电子学的梦想。早在2018年3月，麻省理工学院PabloJarillo-Herrero和曹原等人在~1.1°魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门。这个全新的发现，把石墨烯推向了新的发展高度，研究结果以背靠背的方式在线发表于Nature，一时引起轰动，魔角石墨烯风靡全球。

然而，魔角石墨烯目前还存在一个重要问题，那就是特定的旋转角度使得整个材料的制备非常难，材料也不够稳定，为未来发展带来了很多不可确定性。

菱面石墨烯，为石墨烯超导带了更多可能。

2021年9月1日，加州大学圣巴巴拉分校Andrea F. Young课题组连续在Nature背靠背发表2篇论文，报道了他们在菱面三层石墨烯发现超导的最新突破。两篇论文的第一作者都是周昊欣，其中一篇文章的共同第一作者为Tian Xie。

作者认为，无论是魔角双层石墨烯，魔角三层石墨烯，还是菱面三层石墨烯，在其中发现的超导性，具有相同的本征机制。

在第一篇论文中，研究团队在菱面三层石墨烯中发现超导性。材料会在低于开尔文温度下表现为低电阻率或消失电阻率，超导发生在两个不同的栅极调谐区（SC1 和 SC2），符合由平均自由程和超导相干长度之比的定义。通过量子振荡对正常状态费米表面的映射表明，两个超导体都从环形费米海中出现。SC1 从顺磁正常状态出现，而 SC2 从自旋极化、谷非极化的半金属状态出现，并且打破了面内磁场的泡利极限至少一个数量级。

在第二篇论文中，作者在菱面三层石墨烯中发现“半金属”和“四分之一金属”。研究表明，菱面三层石墨烯中，栅极调谐的范霍夫奇点将电子系统的自发铁磁极化驱动为一种或多种自旋和谷型。通过电容和传输测量，研究人员观察到相之间的一系列密度和电子位移场调谐跃迁，其中量子振荡具有四倍、两倍或一倍的简并性，分别对应正常金属、“半金属”，以及 “四分之一金属”。通过孔填充，研究人员观察到更丰富的相图，在费米表面拓扑结构中对称性破缺和跃迁之间存在微妙的相互作用。通过使用扭角对齐的六方氮化硼衬底引入莫尔超晶格等进一步研究表明，菱面三层石墨烯是控制良好的多体理论测试的理想平台，并揭示了莫尔材料中的磁性本质上是流动的。

参考文献：

HaoxinZhou et al. Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene. Nature 2021.

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03926-0

HaoxinZhou, Tian Xie et al. Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene.Nature 2021.

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03938-w