上交學(xué)術(shù)伉儷率隊在晶體石墨烯中觀(guān)察到超導態(tài)，實(shí)現1.6V/nm外加垂直位移電場(chǎng)，助力構筑新型超導量子器件

近日，上海交通大學(xué)的李聽(tīng)昕副教授和劉曉雪副教授夫婦聯(lián)合武漢大學(xué)團隊，造出一種高質(zhì)量的 Bernal 堆垛雙層石墨烯、以及單層的二硒化鎢異質(zhì)結樣品，實(shí)現了 1.6V/nm 的外加垂直位移電場(chǎng)。

圖｜左起：李聽(tīng)昕、劉曉雪（來(lái)源：劉曉雪）??

通過(guò)此，他們首次在晶體石墨烯的電子摻雜端觀(guān)察到超導態(tài)，并揭示了電子摻雜端超導態(tài)與空穴摻雜端超導態(tài)在平行磁場(chǎng)之下的差異。

此外，課題組還在石墨烯導帶觀(guān)察到一系列的自發(fā)對稱(chēng)性破缺態(tài)。

（來(lái)源：Nature）

隨著(zhù)載流子摻雜的變化和垂直位移電場(chǎng)的變化，這些對稱(chēng)性破缺態(tài)的費米面結構也會(huì )發(fā)生變化。針對這種變化，該團隊繪制出了一張完整的相圖。

通過(guò)此，課題組把雙層石墨烯器件的質(zhì)量和調控能力發(fā)展至新的高度。

在零下 270 多攝氏度的極低溫條件下，該團隊基于這一體系探索出了新的量子物態(tài)與量子物性。

（來(lái)源：Nature）

更為重要的是，在電子摻雜的情況之下，課題組也觀(guān)察到了超導態(tài)，這也是學(xué)界首次在單晶石墨烯中觀(guān)察到電子摻雜的超導電性。

空穴端和電子端的超導態(tài)強度，都可以通過(guò)外加的垂直位移電場(chǎng)進(jìn)行有效調節。

實(shí)驗中，課題組測量到的最高超導轉變溫度分別為大約 450mK 和 300mK。

而在當下的單晶石墨烯系統之中，通過(guò)利用靜電摻雜的方法，以上溫度也是目前所能觀(guān)察到最高超導轉變溫度。

研究中，針對雙層石墨烯中的電子摻雜超導性質(zhì)和空穴摻雜超導的性質(zhì)，課題組也進(jìn)行了詳細對比。

結果十分出乎意料：在超導轉變溫度和超導臨界垂直磁場(chǎng)等超導性質(zhì)類(lèi)似的情況之下，空穴摻雜超導和電子摻雜超導這兩種超導態(tài)，展現出截然不同的平行磁場(chǎng)依賴(lài)性。

具體來(lái)說(shuō)：空穴摻雜的超導態(tài)，違反了泡利順磁極限；電子摻雜的超導態(tài)，則始終遵循泡利順磁極限。

此前人們認為：通過(guò)近鄰效應所引入的 Ising 自旋軌道耦合相互作用，能被用于理解二硒化鎢對于石墨烯系統超導態(tài)的增強效果。

而超過(guò)泡利順磁極限的空穴摻雜超導，則是 Ising 自旋軌道耦合相互作用的直接結果。

但是，該團隊發(fā)現：利用費米面分析的方法，盡管在導帶中也能觀(guān)測到明顯的 Ising 自旋-軌道耦合相互作用，但是電子摻雜的超導電性卻并不會(huì )違反泡利順磁極限。

這一觀(guān)察預示著(zhù)：二硒化鎢對于雙層石墨烯中超導作用的增強效果，可能并不僅僅來(lái)自近鄰效應引入的 Ising 自旋軌道耦合相互作用。

與此同時(shí)，目前人們發(fā)現的石墨烯超導系統大多是亞穩態(tài)結構，比如轉角石墨烯系統、三層菱方堆垛石墨烯系統，而這種亞穩態(tài)結構限制了相關(guān)應用的發(fā)展。

Bernal 堆垛雙層石墨烯，則是一種擁有穩態(tài)結構的石墨烯。長(cháng)遠來(lái)看，它有希望被用于構筑新型超導量子器件，為量子計算等研究提供新的可能。

日前，相關(guān)論文以《電子和空穴摻雜的伯納爾雙層石墨烯的可調諧超導性》（Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene）為題發(fā)在 Nature[1]。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature）

上海交通大學(xué)博士生李楚善是第一作者，上海交通大學(xué)的李聽(tīng)昕副教授和劉曉雪副教授、以及武漢大學(xué)吳馮成教授擔任共同通訊作者。

圖 | 研究人員（來(lái)源：課題組）

石墨烯領(lǐng)域的學(xué)術(shù)伉儷

據介紹，石墨烯超導的研究熱潮可以追溯到幾年前。2018 年，在具有平帶能帶結構的魔角雙層石墨烯摩爾超晶格系統中，美國麻省理工學(xué)院團隊報道了一種相關(guān)聯(lián)的絕緣體態(tài)和超導態(tài)。

隨后，在魔角多層石墨烯摩爾超晶格系統中，人們也觀(guān)察到了類(lèi)似的新奇電子態(tài)。

不久之后，該領(lǐng)域迎來(lái)了快速進(jìn)展。同時(shí)，關(guān)于石墨烯超導態(tài)的研究，逐步擴展到不存在摩爾超晶格的晶體石墨烯系統之中。

2021 年，美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校團隊在菱方堆垛的三層石墨烯的空穴端，首次觀(guān)察到了超導態(tài)。

其最強超導態(tài)的轉變溫度約為 100mK，這也是人們在晶體石墨烯中，首次通過(guò)靜電摻雜觀(guān)察到超導現象。

2022 年，美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校團隊又在 Berna 堆垛的雙層石墨烯中的空穴摻雜端，觀(guān)察到了超導態(tài)。

然而，超導態(tài)的出現需要外加一個(gè)小的平行磁場(chǎng)（約 0.15T）。而且，它的最高轉變溫度較低，大約之后 30mK。

2023 年，美國加州理工大學(xué)團隊發(fā)現：在將 Bernal 堆垛的石墨烯、與單層過(guò)渡金屬硫族化合物二硒化鎢組合構成的異質(zhì)結中，通過(guò)二硒化鎢的近鄰作用，可以增強石墨烯中的自旋軌道耦合相互作用。

這時(shí)，能在零磁場(chǎng)下觀(guān)測到 Bernal 堆垛石墨烯中空穴摻雜的超導態(tài)。并且，其最高轉變溫度會(huì )被提高至大約 300mK。

而且，相比傳統常規超導，超導態(tài)展示出不同的特性。例如，針對平行磁場(chǎng)依賴(lài)性的研究顯示：超導態(tài)破缺了傳統超導體所遵循的泡利極限。

相關(guān)實(shí)驗也顯示：Bernal 堆垛雙層石墨烯的超導態(tài)，對于垂直電場(chǎng)具有很強的依賴(lài)性。

此外，還有實(shí)驗顯示：Bernal 堆垛雙層石墨烯體系所能實(shí)現的最高垂直位移電場(chǎng)強度大約為 1V/nm。

但是，在這種電場(chǎng)條件之下，超導態(tài)仍未完全消失。因此，超導態(tài)隨垂直位移電場(chǎng)的依賴(lài)關(guān)系，是一個(gè)尚不完善的結論，還有待進(jìn)一步的實(shí)驗研究。

而摩爾石墨烯超導態(tài)和晶體石墨烯中超導態(tài)的機制、以及這兩個(gè)體系的超導態(tài)之間的關(guān)系，此前依舊是一個(gè)未解之謎。

同時(shí)，過(guò)渡金屬硫族化合物對于石墨烯系統超導態(tài)性質(zhì)增強的具體機制，也需要通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗研究和理論研究來(lái)揭示。

（來(lái)源：Nature）

近年來(lái)，晶體石墨烯超導態(tài)——是李聽(tīng)昕和劉曉雪夫婦共同關(guān)注的方向。

2022 年，在一次閑聊中劉曉雪指出：目前雙層石墨烯體系超導的實(shí)驗，所能實(shí)現的最高垂直位移電場(chǎng)強度大約為 1V/nm，這讓超導態(tài)隨位移電場(chǎng)的變化無(wú)法得到完整的表征。

假如能夠針對雙層石墨烯體系施加更大的位移電場(chǎng)，或許可以研究這樣一個(gè)問(wèn)題：即超導態(tài)和自發(fā)對稱(chēng)性破缺態(tài)，是如何隨電場(chǎng)發(fā)生演化的？

李聽(tīng)昕則提到：如果將制備二維過(guò)渡金屬硫族化合物器件的一些技巧，用于 Bernal 堆垛的雙層石墨烯器件之中，則有望提升垂直位移電場(chǎng)的范圍。

兩人認為這個(gè)想法非?？尚?，而且制備這種器件也非常適合用來(lái)培養剛入組的博士生。

于是，二人決定開(kāi)展這個(gè)課題，并指定由剛入組的博士生李楚善來(lái)制備樣品。

在劉曉雪和李聽(tīng)昕的指導下，2023 年初李楚善成功制備出幾個(gè)高質(zhì)量器件。接下來(lái)，則需要針對這些器件進(jìn)行極低溫的輸運測量。

跨越千里的京滬兩地實(shí)驗

由于受到設備禁運的影響，導致課題組無(wú)法在短時(shí)間內買(mǎi)到稀釋制冷機，自然也就無(wú)法開(kāi)展小于 1.5K 的極低溫的輸運測量。

于是，他們利用最低溫為 1.5K 的低溫磁場(chǎng)系統來(lái)挑選樣品。在這個(gè)溫區之下雖然無(wú)法看到體系的超導態(tài)，但是對于所制備的雙層石墨烯器件來(lái)說(shuō)，已經(jīng)足以測試其所能施加的垂直位移電場(chǎng)范圍。

同時(shí)，也能在高電場(chǎng)之下，初步觀(guān)測雙層石墨烯出現的自發(fā)對稱(chēng)性破缺態(tài)，據此來(lái)判斷樣品的質(zhì)量高低。

通過(guò)低溫測量的方法，選出高質(zhì)量樣品之后，再將其置于稀釋制冷機中，即可測量樣品的超導態(tài)性質(zhì)。

一般來(lái)說(shuō)，稀釋制冷機可以實(shí)現的最低溫度在 10mK（晶格溫度）左右。

為了開(kāi)展這些實(shí)驗，他們申請到了中國科學(xué)院物理研究所的相關(guān)實(shí)驗裝置的機時(shí)使用權。

這臺裝置位于北京市懷柔區，每次他們只能申請到一到兩個(gè)星期的機時(shí)。

前前后后，該團隊從上海往返北京三次，才測完全部數據。

與此同時(shí)，高質(zhì)量石墨烯樣品非常脆弱，很容易被靜電等破壞，這也給往返京滬兩地的多次實(shí)驗提出了極高要求。直到 2023 年 9 月，他們終于完成了累計兩次的稀釋制冷機測量。

在仔細分析數據之后，李聽(tīng)昕、劉曉雪、李楚善等三人，聯(lián)合來(lái)自武漢大學(xué)的理論合作者吳馮成教授團隊，通過(guò)開(kāi)展多次深入討論，針對所發(fā)現的物理新現象達成了趨近一致的看法。

隨后，吳馮成團隊開(kāi)始著(zhù)手理論計算，李聽(tīng)昕、劉曉雪則開(kāi)始撰寫(xiě)論文。

為了回復審稿人的意見(jiàn)，李楚善及團隊其他幾位研究生于 2024 年 3 月再次從上海趕赴北京，進(jìn)行了第三次稀釋制冷機溫區的測量。

最終，第二輪審稿中的三位審稿人，都給出了正面的評價(jià)，論文也于 2024 年 5 月被 Nature 正式接收。

未來(lái)，該團隊將采取兩步走：

一方面，將繼續深入研究石墨烯體系中超導態(tài)的性質(zhì)。

比如，研究庫倫屏蔽對于晶體石墨烯超導態(tài)強度的影響，以及研究二維半導體近鄰效應對于菱方堆垛三層石墨烯超導態(tài)的影響等。

通過(guò)此，希望能為全面理解石墨烯體系的超導態(tài)機制提供關(guān)鍵的實(shí)驗信息。

另一方面，將基于石墨烯超導設計方案，制備新型的超導量子器件。