近日，上海交通大學(xué)的李聽昕副教授和劉曉雪副教授夫婦聯(lián)合武漢大學(xué)團(tuán)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(jié)樣品，實現(xiàn)了 1.6V/nm 的外加垂直位移電場。

圖｜左起：李聽昕、劉曉雪（來源：劉曉雪）??

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

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

（來源：Nature）

隨著載流子摻雜的變化和垂直位移電場的變化，這些對稱性破缺態(tài)的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化。針對這種變化，該團(tuán)隊繪制出了一張完整的相圖。

通過此，課題組把雙層石墨烯器件的質(zhì)量和調(diào)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(tuán)隊基于這一體系探索出了新的量子物態(tài)與量子物性。

（來源：Nature）

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

空穴端和電子端的超導(dǎo)態(tài)強(qiáng)度，都可以通過外加的垂直位移電場進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

實驗中，課題組測量到的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別為大約 450mK 和 300mK。

而在當(dāng)下的單晶石墨烯系統(tǒng)之中，通過利用靜電摻雜的方法，以上溫度也是目前所能觀察到最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。

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

結(jié)果十分出乎意料：在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)臨界垂直磁場等超導(dǎo)性質(zhì)類似的情況之下，空穴摻雜超導(dǎo)和電子摻雜超導(dǎo)這兩種超導(dǎo)態(tài)，展現(xiàn)出截然不同的平行磁場依賴性。

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

此前人們認(rèn)為：通過近鄰效應(yīng)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(tǒng)超導(dǎo)態(tài)的增強(qiáng)效果。

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

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

這一觀察預(yù)示著：二硒化鎢對于雙層石墨烯中超導(dǎo)作用的增強(qiáng)效果，可能并不僅僅來自近鄰效應(yīng)引入的 Ising 自旋軌道耦合相互作用。

與此同時，目前人們發(fā)現(xiàn)的石墨烯超導(dǎo)系統(tǒng)大多是亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，比如轉(zhuǎn)角石墨烯系統(tǒng)、三層菱方堆垛石墨烯系統(tǒng)，而這種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)限制了相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展。

Bernal 堆垛雙層石墨烯，則是一種擁有穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的石墨烯。長遠(yuǎn)來看，它有希望被用于構(gòu)筑新型超導(dǎo)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(diào)諧超導(dǎo)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)的李聽昕副教授和劉曉雪副教授、以及武漢大學(xué)吳馮成教授擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 研究人員（來源：課題組）

石墨烯領(lǐng)域的學(xué)術(shù)伉儷

據(jù)介紹，石墨烯超導(dǎo)的研究熱潮可以追溯到幾年前。2018 年，在具有平帶能帶結(jié)構(gòu)的魔角雙層石墨烯摩爾超晶格系統(tǒng)中，美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊報道了一種相關(guān)聯(lián)的絕緣體態(tài)和超導(dǎo)態(tài)。

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

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

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

其最強(qiáng)超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度約為 100mK，這也是人們在晶體石墨烯中，首次通過靜電摻雜觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象。

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

然而，超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)需要外加一個小的平行磁場（約 0.15T）。而且，它的最高轉(zhuǎn)變溫度較低，大約之后 30mK。

2023 年，美國加州理工大學(xué)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)：在將 Bernal 堆垛的石墨烯、與單層過渡金屬硫族化合物二硒化鎢組合構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，通過二硒化鎢的近鄰作用，可以增強(qiáng)石墨烯中的自旋軌道耦合相互作用。

這時，能在零磁場下觀測到 Bernal 堆垛石墨烯中空穴摻雜的超導(dǎo)態(tài)。并且，其最高轉(zhuǎn)變溫度會被提高至大約 300mK。

而且，相比傳統(tǒng)常規(guī)超導(dǎo)，超導(dǎo)態(tài)展示出不同的特性。例如，針對平行磁場依賴性的研究顯示：超導(dǎo)態(tài)破缺了傳統(tǒng)超導(dǎo)體所遵循的泡利極限。

相關(guān)實驗也顯示：Bernal 堆垛雙層石墨烯的超導(dǎo)態(tài)，對于垂直電場具有很強(qiáng)的依賴性。

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

但是，在這種電場條件之下，超導(dǎo)態(tài)仍未完全消失。因此，超導(dǎo)態(tài)隨垂直位移電場的依賴關(guān)系，是一個尚不完善的結(jié)論，還有待進(jìn)一步的實驗研究。

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

同時，過渡金屬硫族化合物對于石墨烯系統(tǒng)超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)增強(qiáng)的具體機(jī)制，也需要通過進(jìn)一步的實驗研究和理論研究來揭示。

（來源：Nature）

近年來，晶體石墨烯超導(dǎo)態(tài)——是李聽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(dǎo)的實驗，所能實現(xiàn)的最高垂直位移電場強(qiáng)度大約為 1V/nm，這讓超導(dǎo)態(tài)隨位移電場的變化無法得到完整的表征。

假如能夠針對雙層石墨烯體系施加更大的位移電場，或許可以研究這樣一個問題：即超導(dǎo)態(tài)和自發(fā)對稱性破缺態(tài)，是如何隨電場發(fā)生演化的？

李聽昕則提到：如果將制備二維過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的范圍。

兩人認(rèn)為這個想法非常可行，而且制備這種器件也非常適合用來培養(yǎng)剛?cè)虢M的博士生。

于是，二人決定開展這個課題，并指定由剛?cè)虢M的博士生李楚善來制備樣品。

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

跨越千里的京滬兩地實驗

由于受到設(shè)備禁運(yùn)的影響，導(dǎo)致課題組無法在短時間內(nèi)買到稀釋制冷機(jī)，自然也就無法開展小于 1.5K 的極低溫的輸運(yùn)測量。

于是，他們利用最低溫為 1.5K 的低溫磁場系統(tǒng)來挑選樣品。在這個溫區(qū)之下雖然無法看到體系的超導(dǎo)態(tài)，但是對于所制備的雙層石墨烯器件來說，已經(jīng)足以測試其所能施加的垂直位移電場范圍。

同時，也能在高電場之下，初步觀測雙層石墨烯出現(xiàn)的自發(fā)對稱性破缺態(tài)，據(jù)此來判斷樣品的質(zhì)量高低。

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

一般來說，稀釋制冷機(jī)可以實現(xiàn)的最低溫度在 10mK（晶格溫度）左右。

為了開展這些實驗，他們申請到了中國科學(xué)院物理研究所的相關(guān)實驗裝置的機(jī)時使用權(quán)。

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

前前后后，該團(tuán)隊從上海往返北京三次，才測完全部數(shù)據(jù)。

與此同時，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(jī)測量。

在仔細(xì)分析數(shù)據(jù)之后，李聽昕、劉曉雪、李楚善等三人，聯(lián)合來自武漢大學(xué)的理論合作者吳馮成教授團(tuán)隊，通過開展多次深入討論，針對所發(fā)現(xiàn)的物理新現(xiàn)象達(dá)成了趨近一致的看法。

隨后，吳馮成團(tuán)隊開始著手理論計算，李聽昕、劉曉雪則開始撰寫論文。

為了回復(fù)審稿人的意見，李楚善及團(tuán)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(jī)溫區(qū)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，論文也于 2024 年 5 月被 Nature 正式接收。

未來，該團(tuán)隊將采取兩步走：

一方面，將繼續(xù)深入研究石墨烯體系中超導(dǎo)態(tài)的性質(zhì)。

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

通過此，希望能為全面理解石墨烯體系的超導(dǎo)態(tài)機(jī)制提供關(guān)鍵的實驗信息。

另一方面，將基于石墨烯超導(dǎo)設(shè)計方案，制備新型的超導(dǎo)量子器件。