研究透视：Science评述-石墨烯，魂摄超导电性

石墨烯类二维材料，可用于研究奇异电子态（1，2），例如超导，其中材料电阻率变为零。尽管已经在石墨烯中观察到了超导电性，但早期的观察，是对具有不稳定物理结构样品的，这阻碍了对该现象的一致解释。Zhou等研究人，报道了双层石墨烯，如何在适当布置的电场和磁场情况下变为超导。实验表明，电子有一种罕见的奇异状态，在这种状态下，超导电性对通常会破坏这种效应的较大磁场呈现鲁棒性。在像石墨烯双层这样相对简单的结构中发现超导电性，为更好地理解这一现象开辟了一条途径。这种理解有助于寻找具有更实用操作条件的超导材料。

Surprising superconductivity of graphene

石墨烯是一种单原子厚度的碳原子层，排列成六边形晶格。普通的双层石墨烯由两层石墨烯组成。与不稳定的扭曲双层石墨烯（1）相比，一层在另一层之上，因此，两层中的原子，都找到了最小能量位置（见图）。在双层石墨烯中，发现超导电性是令人惊讶的，因为双层石墨烯已经被彻底研究了其在构建更小更快的电子器件，并具有取代硅的潜力。单层石墨烯缺乏带隙，这是其在数字电子中使用的一个问题。即，在电子的价带和导带之间没有间隙的情况下，ON和OFF状态下的电导率之比太小，而不能用于逻辑运算。该问题的一种解决方案是，在两个金属电极之间放置双层石墨烯，如（4）所示。由于两个电极之间的电势差，打开了双层中的可调带隙。然后，可以通过公共电极电势来控制组合器件（晶体管）。当公共电位为零时，晶体管处于截止状态。增加或减小公共电势将电子注入导带或将它们从价带移除。结果，晶体管进入导通状态。

Zhou等研究人，发现在接近开状态开始时，电子相互作用在低温下使电子能带结构变形，并破坏其某些对称性。首先，研究了双层石墨烯的电阻，如何在其非超导状态下作为磁场的函数振荡。利用这样的测量，作者发现了不同类型的电子态，这些电子态具有自发破缺的自旋或谷对称性，作为相变到磁态的标志。自旋是电子固有的基本量子属性，而能谷描述了能带结构的形状，这反过来又决定了电子在特定材料内运动时所能具有的能量范围。然后，将双层石墨烯器件冷却到低于30mK的温度，其中对于电场和磁场的特定值，材料变为超导。

超导转变，在形式上被描述为电子之间相干配对的建立。在传统超导体中，电子对包含相反的自旋。这种配对被称为自旋单线态，由称为泡利排斥的量子力学原理控制，该原理限制了可以形成的配对类型。单线态易受磁场的影响，因为磁场为相反自旋的电子提供不同的能量，并最终破坏超导电性。

电子配对的另一种可能性是自旋三重态，其中电子对中的自旋指向同一方向，并且不受磁场的影响。这样的状态可能在量子计算中有用（5）。在石墨烯之前，只有在由重元素组成的材料中，才能观察到自旋三重态。因此，特别值得注意的是，Zhou等人的超导石墨烯，需要施加磁场，这与电阻保持在零直到非常大的磁场一起，表明了自旋三重态超导态的可能性。石墨烯中谷的存在，可能有助于满足泡利不相容原理。

Zhou等人的发现。与超导系统的其他最新发现一致，其中层在堆叠时旋转，并与三层菱面体石墨烯（2）一致。其中一些显示出类似的超导对磁场的鲁棒性（2，6）。然而，Zhou等人的双层石墨烯。可以说是观察到超导电性的最简单的石墨烯系统。因此，是进一步进行石墨烯超导实验的理想候选者。剩下的一个问题是,石墨烯中电子配对的潜在机制。一个普遍的想法是，异常超导需要异常配对机制（7）。然而，有可能用传统的机制来解释这种现象，其中电子配对是由晶格振动介导的（8-11）。在这种情况下，石墨烯超导电性的奇异性质，似乎源于其特殊的能带结构。其他问题涉及,磁性和超导电性的相互作用，超导电性的自旋单线态和自旋三线态形式的竞争，以及三线态激发的精确性质。实验挑战来自于优化具有最高工作温度的超导条件。

在石墨烯超导研究的淘金热之前，有人声称石墨具有超导性（12）。这些发现报告了比在少层石墨烯（1，2，6）中测量的临界温度高得多的临界温度，但由于样品与样品之间的强烈变化和难以再现结果，且没有被该领域广泛接受。然而，基于Zhou等人的发现，基于石墨烯系统的超导性，似乎比以前认为的更普遍。这可能为基于石墨烯超小型电子产品带来新的可能性。也许在未来，普通的石墨烯会呈现非凡的、令人勾魂摄魄的重要应用。

参考文献

1. Y. Cao et al., Nature 556, 43 (2018).

2. H. Zhou, T. Xie, T. Taniguchi, K. Watanabe, A. F. Young,Nature 598, 434 (2021).

3. H. Zhou et al., Science 375, 774 (2022).

4. Y. Zhang et al., Nature 459, 820 (2009).

5. Y.-T. Hsu, Nature 595, 495 (2021).

6. J. M. Park, Y. Cao, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Jarillo-Herrero, Nature 590, 249 (2021).

7. A. Ghazaryan, T. Holder, M. Serbyn, E. Berg, Phys. Rev.Lett. 127, 247001 (2021).

8. R. Ojajärvi, T. Hyart, M. A. Silaev, T. T. Heikkilä, Phys. Rev.B 98, 054515 (2018).

9. T. J. Peltonen, R. Ojajärvi, T. T. Heikkilä, Phys. Rev. B 98,220504 (2018).

10. Y.-Z. Chou, F. Wu, J. D. Sau, S. Das Sarma, Phys. Rev. Lett.127, 187001 (2021).

11. Y.-Z. Chou, F. Wu, J. D. Sau, S. Das Sarma, https://arxiv.org/abs/2110.12303 (2021).

12. P. Esquinazi, Pap. Phys. 5, 050007 (2013).

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn9631

DOI: 10.1126/science.abn9631

本文译自Science。

英文作者：芬兰于韦斯屈来应用科学大学(University of Jyväskylä) Tero T. Heikkilä