上海交大最新研究，石墨烯超導又有重大發現

近日，上海交通大學物理與天文學院李聽昕課題組、李政道研究所劉曉雪課題組在Nature上發表題為“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”的研究論文。該項研究首次在單晶石墨烯中觀測到電子摻雜情況的超導電性，這對于理解晶體石墨烯及轉角石墨烯系統的超導機理，設計制備基于石墨烯系統的高質量新型超導量子器件等具有重要意義。

超導這一宏觀量子現象最早由荷蘭科學家H. K. Onnes于1911年在研究汞在低溫下的電學輸運性質時被首次觀察到，是凝聚態物理學中里程碑式的發現之一，有關超導材料和超導機理的研究是物理學及相關領域研究中經久不衰的課題。2018年，有關魔角雙層石墨烯的研究首次在石墨烯系統中觀察到超導電性，這一研究立即引起了國際物理學界的廣泛關注，引領了有關二維莫爾超晶格研究的熱潮。此后，研究者們在轉角多層石墨烯莫爾超晶格系統中也觀測到了超導電性，而轉角石墨烯中超導與平帶之間的關系、超導的配對機制等，至今仍是領域內備受關注的重要科學問題。魔角雙層石墨烯對兩層石墨烯之間的轉角要求十分苛刻，容忍度僅在魔角1.1度正負偏差0.1度的范圍，這在一定程度上限制了對魔角石墨烯中超導電性的深入研究。

圖一 樣品結構示意圖和光學顯微鏡照片

2021年，研究者首次在不需要莫爾超晶格的亞穩態單晶石墨烯，即菱方堆垛的三層石墨烯中，通過柵極靜電調控，觀察到空穴摻雜的超導現象，其超導轉變溫度約為100 mK，這一研究結果也馬上引起了廣泛的關注。隨后，2022年，在施加約0.15 T平行磁場和垂直位移電場（約1 V/nm）的條件下，人們在空穴摻雜的Bernal堆垛雙層石墨烯也觀察到了超導態，但其超導轉變溫度僅約為30 mK. 不同于魔角石墨烯和菱方堆垛石墨烯系統，Bernal堆垛的雙層石墨烯是天然石墨的基本組成單元，是一種穩定的晶體結構，這為可控制備高質量樣品、以及未來研制基于石墨烯的新型超導量子器件提供了理想的實驗平臺。之后的研究發現，將半導體過渡金屬硫族化合物二硒化鎢（WSe₂）與Bernal堆垛的雙層石墨烯組合形成異質結構時，由于近鄰效應，增強了石墨烯體系的自旋軌道相互作用，有趣的是，這使得雙層石墨烯的超導態能在零磁場下顯現，并且超導轉變溫度被顯著提升至約300 mK. 但由于實驗中可實現的位移電場范圍的限制，無法完全揭示雙層石墨烯空穴超導態隨位移電場變化的性質與規律；而且，其超導配對機制以及二硒化鎢對石墨烯系統超導態的影響機制仍是懸而未決的問題。此外，之前有關高質量雙層石墨烯器件中自發對稱性破缺態和超導態的研究主要集中在價帶（空穴摻雜），而對導帶（電子摻雜）的關注較少。

圖二 實驗揭示的雙層石墨烯與二硒化鎢異質結系統的相圖，以及觀察到的空穴和電子摻雜情況的超導態

通過優化樣品制備方法，上海交大實驗團隊成功制備出高質量雙層石墨烯與二硒化鎢異質結樣品，使得可以對其施加高達1.6 V/nm的垂直位移電場。通過開展系統的極低溫量子輸運測量，結合電場調控和靜電摻雜調控，他們揭示了該系統中空穴摻雜超導隨位移電場和載流子濃度變化的完整相圖；更為重要的是，實驗上在電子摻雜的情況也觀察到超導態，這是在單晶石墨烯中首次觀察到電子摻雜的超導電性。空穴端和電子端的超導態強度都可以通過外加的垂直位移電場進行有效調節，實驗上測量到的最高超導轉變溫度分別約為450 mK和300 mK，這也是目前在單晶石墨烯系統中觀察到超導轉變溫度的最高記錄。

圖三 在外加高垂直位移電場下，Bernal堆疊雙層石墨烯電子端量子振蕩及費米面分析

通過測量高質量石墨烯樣品的縱向電阻隨垂直磁場的量子振蕩（即Shubnikov-de Haas效應，簡稱SdH振蕩），可以得到有關能帶費米面的重要信息，這對于理解體系中由于電子關聯相互作用導致的自發對稱性破缺態，以及超導配對機制等都具有重要的意義。該研究工作詳細測量了在不同位移電場下，低磁場區間空穴摻雜和電子摻雜時的SdH振蕩。分析結果表明，在較高的位移電場下，雙層石墨烯在空穴摻雜和電子摻雜時均出現了一系列自發對稱性破缺態，這些態的出現與能帶的范霍夫奇點以及電子-電子相互作用相聯系。特別地，當施加電場使得雙層石墨烯中的電子或空穴靠近二硒化鎢層時，SdH振蕩的頻率發生了進一步的變化，這是因為當電子和空穴靠近二硒化鎢層時，感受到了明顯的自旋軌道耦合作用，從而導致電子態的簡并度和費米面的結構發生變化。實驗結果表明，空穴摻雜和電子摻雜的超導的正常態均對應于費米面為部分極化的情況。

最后，該工作詳細對比了雙層石墨烯中電子摻雜超導和空穴摻雜超導的性質。出乎意料的是，在選取的超導轉變溫度，超導臨界垂直磁場等超導性質類似的情況下，空穴摻雜超導和電子摻雜超導展現了截然不同的平行磁場依賴性。具體而言，空穴摻雜的超導態違反了泡利順磁極限，而電子摻雜的超導性卻始終遵循泡利順磁極限。之前的研究工作認為，二硒化鎢對石墨烯系統超導態的增強效果可以通過近鄰效應引入的Ising自旋軌道耦合相互作用的角度來理解，而超過泡利順磁極限的空穴摻雜超導是Ising自旋軌道耦合相互作用的直接結果。而在此項工作中，盡管通過費米面分析在導帶中也觀測到明顯的Ising自旋-軌道耦合相互作用，但電子摻雜的超導電性卻沒有違反泡利順磁極限。這一觀察預示著二硒化鎢對雙層石墨烯中超導的增強效果可能不僅僅來自于近鄰效應引入的Ising自旋軌道耦合相互作用。

該成果上海交大團隊主要成員：（從左至右）劉曉雪、李佳熠、李楚善、徐凡、李聽昕

這一研究工作突顯了在高位移電場下雙層石墨烯系統中涌現的豐富量子物態，其中很多現象和性質還值得進一步的理論和實驗研究。該工作不僅為理解單晶石墨烯乃至魔角石墨烯的超導機理提供了重要的實驗信息和約束，而且為基于穩態結構的單晶石墨烯設計和制造新型超導量子器件奠定了堅實基礎。

論文第一作者為上海交通大學物理與天文學院博士研究生李楚善。共同通訊作者為物理與天文學院李聽昕副教授，李政道研究所劉曉雪副教授和武漢大學吳馮成教授。論文的合作者還包括上海交通大學賈金鋒教授，博士研究生徐凡，李佳熠；武漢大學博士研究生李泊浩；中國科學院物理研究所呂力研究員，沈潔研究員，仝冰冰副主任工程師，博士研究生李國安，以及日本國立材料研究所Kenji Watanabe研究員和Takashi Taniguchi研究員。此項研究涉及的器件微納加工部分在上海交通大學物理與天文學院微納加工平臺完成，極低溫測量在中國科學院綜合極端條件實驗裝置完成。本工作得到科技部、國家自然科學基金委、上海市和上海交通大學的資助，在此深表感謝。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w#Sec17

（原題：交大最新Nature！石墨烯超導又有重大發現）