永无止境！手握7篇Nature/1篇Science的他，再获1篇Nature

【背景介绍】

量子材料的最新进展是通过堆叠具有扭曲角或晶格失配的二维（2D）材料来构建人造的moiré超晶格。在某些moiré超晶格中，平带的出现会引起相关绝缘体、铁磁相等现象，特别是超导性。最近在魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）以及魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）中发现了强大的超导性。此外，MATTG表现出独特的电位移场可调性，其超导状态可以调整到超强耦合状态，使得MATTG成为研究moiré超导性质的有吸引力的平台。然而，关于超导性的一个基本问题是其非常规配对对称性，即空间对称性和自旋配置，仍有待实验证明。

【成果简介】

在2021年7月22日，美国麻省理工学院曹原（一作兼通讯作者）、Pablo Jarillo-Herrero和Jeong Min Park（共同通讯作者）等人报道了魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）在面内磁场超过10 T时表现出超导性，极大的违反了传统自旋单线态超导体的泡利（Pauli）极限，超过了2-3倍。对于一个预计不会有强自旋轨道耦合的系统，这是一个意想不到的观察结果。在整个超导相位上观察到违反了泡利极限，表明MATTG与具有大超导幅度配对的可能的赝隙相位无关。值得注意的是，作者在大磁场中观察到重入超导性，它存在于较窄的载流子密度和位移场范围内。这些发现表明，MATTG中的超导性可能是由一种导致非自旋单线态Cooper对的机制所驱动，并且外部磁场会导致具有潜在不同顺序参数的相之间的转变。该研究结果证明了moiré超导的丰富性，并且可能有助于设计下一代奇异量子物质。研究成果以题目为“Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene”发表在国际顶级期刊Nature上。

【图文速递】

图一、高面内磁场下MATTG的超导性
（a）实验系统示意图；

（b, d）T=300 mK时，B‖=0 T和B‖=10 T时的纵向电阻R_xx；

（c）在ν=-2.4、D/ε₀=-0.44 V nm^-1和T=300 mK、不同B‖值时电压-电流（V_xx-I）曲线；

（e）空穴掺杂侧的超导性随B‖的演变。

图二、MATTG中大的泡利极限违反
（a）超导圆顶的演变作为B‖的函数；

（b）在ν=-2.28处的B‖-T相图；

（c）以1 T的间距对应于（b）的线切割；

（d）对于ν=-3时，与（b）中结果一致；

（e）对于10%、20%和30%的电阻阈值，作为ν的函数提取的PVR。

图三、凹角超导
（a）R_xx绘制为B‖和T的函数，在B‖范围5-10 T内；

（b-c）R_xx的线切割在不同的B‖值下对T和放大视图绘制，显示了R_xx-T曲线在BKT转变温度附近的非单调行为；

（d）差分电阻dV_xx/dI绘制为B‖的函数，I显示出与温度相关的类似趋势；

（e-f）dV_xx/dI的线切割对I和不同B值的放大视图，显示出与（b-c）中类似的非单调行为。

图四、MATTG中超导相之间的场致跃迁
（a）在最佳掺杂ν=-2.4时，电阻作为D和B‖的函数；

（b）在D/ε₀=-0.24 V nm^-1时作为ν和B‖的函数的电阻；

（c）R_xx对B‖的图的温度依赖性，在（a）和（b）中用白色虚线标记的D和ν值处；

（d）B‖-T相图随D变化的演变；

（e）|D|-B-T空间中超导相相图的三维（3D）示意图。

【小结】

综上所述，作者在整个超导相上观察到了违反泡利极限现象，表明魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）与可能存在的具有大超导振幅配对的伪间隙相无关。这些发现表明，MATTG的超导性很可能是由一种导致非自旋单重态Cooper对的机制驱动，而且外部磁场可能会导致具有不同有序参数的相之间的相变。该研究结果展示了Moiré超导性的丰富性，并且有助于引导设计下一代奇异量子物质。此外，为确定MATTG不同超导相的完全配对对称性，还需要进一步的研究。

文献链接：Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene. Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03685-y.

本文由CQR编译。

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