上海交通大学，又发Nature！

基于石墨烯的高质量二维电子系统，已经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涡流体系中都观察到了超导性，而在晶体石墨烯体系中，迄今为止仅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)中观察到超导性。

最近，由于接近单层WSe₂, BBG中的超导性得到了增强。

在此，来自武汉大学的吴冯成&上海交通大学的刘晓雪和李听昕等研究者报道了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性和一系列风味对称性破缺相。相关论文以题为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”于2024年06月19日发表在Nature上。

虽然石墨烯中的固有自旋轨道耦合(SOC)效应可以忽略不计，但可以通过石墨烯与过渡金属二硫化物层直接接触的邻近效应来诱导SOC。

在实验中，这种范德华SOC接近方法已被证明是石墨烯基系统物理性质工程的重要调节旋环。例如，邻近诱导的Ising SOC被认为是稳定BBG/WSe₂异质结构超导状态的关键因素。

然而，石墨烯波纹体系和结晶石墨烯体系中超导的具体配对机制仍是一个正在进行的研究课题。相比之下，在结晶石墨烯中，虽然在导带和价带都观察到相互作用驱动的风味对称性破坏相，但迄今为止仅在价带观察到超导性。

本文报道了在BBG/WSe₂体系中观察到的可调谐超导性。得益于该器件可实现的高垂直电位移场D，首次在结晶石墨烯中观察到电子掺杂的超导性。

BBG/WSe₂器件的几何结构如图1a所示，其中V_top和V_back双栅极可以独立控制BBG中的D和载流子密度n。图1d显示了零磁场下纵向电阻Rxx随D和n的函数，同时覆盖了电子和空穴掺杂区域。在测量的D和n范围内，由于图1b所示的i型带对准，WSe₂层保持电荷中性。

在R_xx-d-n图中可以观察到一系列以R_xx峰或低谷为特征的相变。图1e是根据图1d和量子振荡费米面分析得出的相图。值得注意的是，测量的R_xx表现出明显的电子-空穴不对称和d场不对称。电子-空穴不对称与BBG中导带和价带的不对称带结构有关(图1c)。

d场不对称与邻近诱导的Ising SOC效应仅在靠近WSe₂层的石墨烯顶层显著有关。在研究者的器件中，在正D时，空穴波函数集中在BBG的顶层，电子波函数集中在BBG的底层;在负D处，空穴波函数集中在BBG的底层，电子波函数集中在BBG的顶层。

因此，显著的自旋分裂要么发生在导带(D < 0)，要么发生在价带(D > 0)，如图1c所示。在实验中，研究者的器件估计的Ising SOC强度λI约为1.7 meV。

在这里，研究者报道了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性和一系列风味对称性破缺相。观察到的超导性的强度可以通过施加垂直电场来调节。

电子掺杂和空穴掺杂超导的最大berezinski-kosterlitz-Thouless转变温度分别约为210 mK和400 mK。只有当外加电场驱动BBG电子或空穴波函数向WSe₂层移动时，超导性才会出现，这强调了WSe₂层在观察到的超导性中的重要性。

空穴掺杂的超导违反了泡利顺磁极限，符合伊辛类超导体。相比之下，电子掺杂的超导性服从泡利极限，尽管在导带中邻近诱导的伊辛自旋轨道耦合也很明显。

该发现突出了与BBG中传导带相关的丰富物理特性，为进一步研究晶体石墨烯的超导机制和基于BBG的超导体器件的开发铺平了道路。

图1 BBG/WSe₂的相图及电子和空穴掺杂的超导性。

图2 空穴掺杂超导的费米表面分析。

图3 电子掺杂超导的费米表面分析。

图4 空穴掺杂和电子掺杂超导的面内磁场依赖性。

综上所述，了解晶体石墨烯体系和扭曲石墨烯体系中的超导配对机制，仍然是凝聚态物理中最重要和最有趣的问题之一。在所有基于石墨烯的超导体中，BBG提供了最简单的平台来理解出现的超导性。

此外，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，使高质量器件的可重复性制造成为可能。研究者揭示了由n和D调谐的空穴和电子掺杂的BBG与单层WSe₂近似的丰富相图。在BBG中，在大D场中出现的风味对称性破坏相与在菱形堆积的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。该研究结果突出了BBG中与传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的超导性之间的异同。

观察到电子掺杂的超导不表现为Ising类超导体，这表明WSe₂在稳定BBG超导性中的作用可能不仅仅归因于Ising SOC。

这些观察结果，为理解晶体石墨烯系统中超导机制的理论模型提供了实质性的限制。

【参考文献】

Li, C., Xu, F., Li, B. et al. Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07584-w

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w