魔角石墨烯超晶格中的非常规超导性研究学术报告

作者及发表信息

本研究的核心团队由Yuan Cao、Valla Fatemi（麻省理工学院物理系）、Shiang Fang、Efthimios Kaxiras（哈佛大学物理系及工程与应用科学学院）、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi（日本国立材料科学研究所）以及Pablo Jarillo-Herrero（麻省理工学院物理系）组成。研究成果于2018年4月5日发表在《Nature》期刊第556卷，文章标题为《Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices》，DOI号为10.1038/nature26160。

学术背景

该研究属于凝聚态物理与材料科学交叉领域，聚焦非常规超导（unconventional superconductivity）这一长期困扰学界的难题。传统超导体遵循BCS理论（Bardeen-Cooper-Schrieffer理论），其超导性源于电子-声子耦合作用，而铜氧化物（cuprates）、铁基超导体等非常规超导体的机制尚未完全阐明。研究团队选择魔角扭曲双层石墨烯（magic-angle twisted bilayer graphene, magic-angle TBG）作为平台，因其可通过扭转角度精确调控电子关联强度，为研究强关联体系提供了高度可控的二维模型系统。

研究动机源于两个关键科学问题：
1. 如何在不依赖复杂材料化学组成的前提下实现强关联电子态；
2. 如何通过实验手段直接观测超导性与关联绝缘态的相互作用。
魔角TBG的超晶格结构可形成平带（flat bands），显著增强电子有效质量与相互作用能，为模拟铜氧化物的超导相图创造了理想条件。

研究方法与流程

1. 样品制备与表征

研究团队采用改进的干法转移技术制备样品：
- 通过机械剥离获得单层石墨烯和10-30 nm厚的六方氮化硼（hBN）薄片；
- 使用聚碳酸酯/聚二甲基硅氧烷（PC/PDMS）堆栈在90°C下拾取hBN，随后在室温下撕裂石墨烯薄片并精确旋转1.1°±0.1°后重新堆叠；
- 最终结构采用hBN封装保护，避免高温退火导致的晶格弛豫。通过电子束光刻和反应离子刻蚀定义霍尔棒结构，采用Cr/Au边缘接触电极（edge-contacted leads）确保电学测量质量。

2. 电输运测量

实验在70 mK稀释制冷机中完成，主要技术包括：
- 四探针测量：采用5-10 Hz低频锁相技术，激励电流0.4-5 nA，电压信号经×1000前置放大后采集；
- 转角标定：通过超晶格带隙位置（±ns处绝缘态）和量子振荡的朗道扇形（Landau fan）分析，将扭转角精度控制在0.01°–0.02°；
- 原位调控：利用底部Pd/Au栅极电压调节载流子浓度（n = CVg/e），实现从关联绝缘态到超导态的连续调控。

3. 创新分析方法

• 连续模型计算：采用Bistritzer-MacDonald模型模拟魔角TBG的能带演化（见补充视频），预测θ≈1.1°时费米速度降为零，形成带宽仅5-10 meV的平带；
  
• 量子振荡分析：通过Lifshitz-Kosevich公式拟合振荡幅度与温度关系，提取有效质量m*≈0.2–0.4me；
  
• 临界场测量：利用Ginzburg-Landau理论拟合垂直临界场Bc⊥，获得相干长度ξ≈52 nm。

主要研究结果

1. 超导态的发现

在θ≈1.05°–1.16°的魔角TBG中观测到：
- 零电阻态：最优样品（M2器件）临界温度Tc=1.7 K（定义于正常态电阻的50%），电阻降幅超过3个数量级（图1b）；
- 二维超导特征：电流-电压曲线呈现Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）转变特征，拟合得TBKT≈1.0 K（图1e）；
- 超低载流子密度：超导出现在n′≈1.5×10¹¹ cm⁻²的极低密度下，比常规二维超导体低1–2个数量级。

2. 相图与关联效应

• 穹顶状超导相图：在关联绝缘态（n=±ns/2）两侧出现对称的超导穹顶（图2b,c），与铜酸盐的相图高度相似；
  
• 量子振荡反常：发现源自半填充态的朗道扇形，填充因子序列为−2,−4,−6…（图5a），表明存在仅与|n|−ns/2相关的小费米面；
  
• 霍尔效应重置：在|n|>ns/2区域，霍尔密度nh≈|n|−ns/2（扩展数据图3），证实载流子来源于掺杂关联绝缘态产生的准粒子。

3. 磁场响应特性

• 临界磁场行为：垂直临界场Bc⊥≈70 mT，符合Ginzburg-Landau理论；平行临界场Bc‖≈1.1 T接近泡利极限（Pauli limit），暗示自旋单态配对（图3e）；
  
• 约瑟夫森效应：在超导-绝缘边界观测到周期性振荡（δB≈4–22.5 mT），对应有效环路面积0.09–0.5 μm²（扩展数据图1），表明存在相位相干输运。

结论与价值

本研究首次在纯碳基二维材料中实现了本征非常规超导，其核心科学价值体现在：
1. 机制启示：超导出现在强关联绝缘态附近，且Tc/TF≈0.1（TF为费米温度），接近铜酸盐与单层FeSe/STO的强耦合区间（图6），排除了传统电声耦合机制；
2. 技术突破：魔角TBG通过栅压即可调控超导态，避免了离子液体门控或化学掺杂的复杂性；
3. 平台意义：该系统为研究量子自旋液体（quantum spin liquids）、BCS-BEC交叉（BCS-BEC crossover）等前沿问题提供了高度可控的实验平台。

研究亮点

1. 材料创新：利用魔角TBG的摩尔超晶格实现平带强关联，避免了复杂材料设计；
   
2. 发现首创：首次观察到石墨烯中的本征超导性，且具有铜酸盐特征；
   
3. 方法特色：结合量子振荡与霍尔测量，揭示了掺杂莫特绝缘体产生超导的微观图像；
   
4. 理论挑战：半填充态出现的m=2简并朗道扇形成为了解强关联物理的新线索。

其他重要发现

• 电场调控潜力：理论预测垂直电场可进一步调节平带局域化程度（参考文献37）；
  
• 对称性暗示：三角超晶格可能支持手性d+id′波配对，有待约瑟夫森结实验验证；
  
• 技术通用性：该方法可推广至其他二维材料（如TMDs），为设计新型关联电子系统提供范式。
  

这项研究不仅为理解高温超导机制开辟了新途径，也为下一代量子器件的设计奠定了材料基础。