上海交通大学，重磅Nature！

一、【导读】

基于石墨烯的高质量二维电子系统已成为研究超导性的高度可调平台。具体来说，在电子和空穴掺杂的扭曲石墨烯摩尔体系中都观察到了超导现象，而在晶体石墨烯体系中，迄今为止只在空穴掺杂的菱形三层石墨烯（RTG）和空穴掺杂的Bernal双层石墨烯（BBG）中观察到了超导现象。最近，由于靠近单层WSe₂，BBG的超导性得到了增强。研究显示，虽然石墨烯的固有自旋轨道耦合（SOC）效应可以忽略不计，但通过将石墨烯与过渡金属卤化物层直接接触，可以通过邻近效应诱导SOC。实验证明，这种范德瓦耳斯SOC邻近法是石墨烯基系统物理性质工程学的重要调节旋钮。例如，在BBG/WSe₂异质结构中，近距离诱导的Ising SOC 被认为是稳定超导态的关键因素。然而，石墨烯摩尔体系和晶体石墨烯体系中超导的具体配对机制仍是一个研究课题。相比之下，在晶体石墨烯中，虽然在导带和价带中都观察到了相互作用驱动的对称性破缺相，但迄今为止只在价带中观察到了超导性。

二、【成果掠影】

在此，上海交通大学李听昕副教授、刘晓雪副教授及武汉大学吴冯成教授（共同通讯作者）通过静电掺杂在电子和空穴掺杂的BBG/WSe₂器件中观察到的超导电性和一系列flavour-symmetry破坏相，观察到的超导电性的强度可通过施加垂直电场进行调节。电子掺杂和空穴掺杂超导的最大Berezinskii-Kosterlitz-Thouless转变温度分别约为210 mK和400 mK。只有当外加电场将BBG电子或空穴波函数驱向WSe₂层时，超导性才会被显示出来，这凸显了WSe₂层在观察到的超导性中的重要性。同时，掺杂空穴的超导违反了Pauli顺磁极限，与Ising超导体一致。相比之下，电子掺杂的超导电性遵守了Pauli极限，尽管在导带中也明显存在近似诱导的Ising自旋轨道耦合。本文的发现凸显了BBG中与传导带相关的丰富物理现象，为进一步研究晶体石墨烯的超导机制和开发基于BBG的超导体设备铺平了道路。

相关研究成果以“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

1.本文报告了在BBG/WSe₂系统中观察到的可调超导性。得益于该器件可实现的高垂直电位移场D，首次在晶体石墨烯中观测到了电子掺杂超导电性。

2.本文的发现凸显了BBG中与传导带相关的丰富物理现象，为进一步研究晶体石墨烯的超导机制和开发基于BBG的超导体设备铺平了道路。

四、【数据概览】

图1 BBG/WSe₂的相图和电子和空穴掺杂超导性© 2024 Springer Nature

图2 空穴掺杂超导电性的费米表面分析© 2024 Springer Nature

图3 电子掺杂超导电性的费米表面分析© 2024 Springer Nature

图4 空穴掺杂和电子掺杂超导电性的平面内磁场依赖关系© 2024 Springer Nature

五、【成果启示】

综上所述，理解晶体石墨烯体系和扭曲石墨烯体系中的超导配对机制仍然是凝聚态物理学中最重要和最有趣的问题之一。在所有的石墨烯基超导体中，BBG为理解超导性提供了最简单的平台。同时，与其他石墨烯超导体相比，BBG的结构稳定性是一个显著的优势，可以可重复地制造高质量的器件。结果显示，在BBG中大的D场中出现的对称破坏相与在菱形堆叠多层石墨烯中观察到的非常相似。空穴和电子掺杂的超导性都与PIP₂费米表面的出现和与WSe₂的接近有关。本文的研究结果突出了BBG中与导带相关的丰富物理特性，表明了BBG/WSe₂中电子掺杂和空穴掺杂超导性的异同。此外，观察到电子掺杂超导性并不表现为类超导体，这表明WSe₂在稳定BBG超导性方面的作用可能不仅仅归因于Ising SOC。因此，这些观察结果为理解晶体石墨烯体系中的超导性机制的理论模型提供了实质性的约束。

文献链接：“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”（Nature，2024，10.1038/s41586-024-07584-w）

本文由材料人CYM编译供稿。