Moiré量子物质，作为一种材料平台应运而生，在这种材料平台中，关联相和拓扑相，可以以前所未有的控制进行探索。其中，由两层或三层石墨烯构成的魔角系统，表现出了具有非常规特性的健壮超导相。然而，非常规配对的直接证据，仍有待实验证明。在此，来自美国麻省理工学院的曹原(通讯兼一作)&Jeong Min Park&P. Jarillo-Herrero（曹原在MIT的导师）等研究者发现，在超过10 T的平面磁场下，魔角扭曲三层石墨烯具有超导性，这大大(2-3倍)违反了传统自旋单线态超导体的泡利极限。相关论文以题为“Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene”于2021年07月21日发表在Nature上。令人感叹的是，早在今年的2月份，曹原所在团队就已发现：通过电场调谐，可在魔角三层石墨烯中实现摩尔超导……一转眼数月过去，电场已经换成了磁场，似乎在大神的眼里，这些东西用来研究，然后发顶刊，就是手拿把攥的……在此，研究者在平行于样品平面的磁场存在下，在MATTG中进行了量子输运测量，以了解超导态的自旋构型。研究结果表明，MATTG不可能是自旋单线态超导体。研究者制作了高质量的MATTG器件，其中相邻层依次被扭曲了θ和-θ，其中θ≈1.57是MATTG的魔术角(图1a)。MATTG带，可以简化为类MATTG的平坦带和色散的Dirac带，它们之间的杂化可以由电场位移场D控制。每个moiré单位单元的电子数，即moiré填充因子，由ν= 4n/ns定义，其中n为载流子密度，为超晶格密度(a = 0.246 nm为石墨烯晶格常数)。图1b显示了纵向电阻Rxx，在没有任何磁场的情况下，其是ν和D的函数，在整数填充因子ν = +1，±2，+3，±4处，存在若干依赖于D的相关电阻态。超导现象出现在ν =±2相关态附近，最高的临界温度Tc出现在ν =−2−δ (δ小于1的分数)；在ν =−2.4时，它接近2.9 K。通过改变D可进一步调节临界温度，使Tc最大化的最佳D/ε0值位于±0.4~0.5 V nm−1附近，其中ε0为真空渗透率。在最优ν和D附近，超导性处于超强耦合态。通常，磁场可以通过塞曼效应或平面轨道效应抑制超导性。尤其是塞曼效应，对自旋单线态超导体的临界磁场施加了一个上限，称为泡利(或Clogston Chandrasekhar)极限。对于MATTG，在最优掺杂场和位移场下的理论泡利极限为4-5 T，然而，研究者发现即使存在大的平行磁场B = 10 T时(图1d)， MATTG中ν=-2-δ的超导性仍保持不变，这远远高于理论泡利极限。
图1. 高面内磁场下MATTG的超导性
图2. MATTG中的大的泡利极限违反
图3. 凹角超导
图4. MATTG中超导相间的场诱导相变综上所述，在整个超导相上观察到波利极限违背，这表明它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，魔角扭曲三层石墨烯的超导性，很可能是由一种导致非自旋单重态库珀对的机制驱动的，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。该工作结果展示了moiré超导性的丰富性，并可能引导下一代奇异量子物质的设计。此外，为了确定MATTG不同超导相的完全配对对称性，还需要进一步的研究。文献信息Cao, Y., Park, J.M., Watanabe, K. et al. Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03685-y
