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研究背景

电子之间的强相互作用往往导致对称破缺相在整个参数空间产生丰富竞争。这种竞争可以通过外部扰动显著改变，这种扰动以牺牲其他相的能量为代价降低其中一个相的能量。典型的例子是魔角扭曲的双层石墨烯(BLG)与六方氮化硼(hBN)的相图排列，其中亚晶格极化以抑制超导电性为代价，将一个Chern绝缘体相稳定在每moiré晶胞填充三个电子附近。

关键问题

然而，通过相图调控超导仍存在以下问题：

1、超导状态十分脆弱

在一个大的垂直电场存在下，Bernal堆叠双层石墨烯(BLG)具有几个破坏对称的金属相以及磁场诱导的超导性，但超导状态是相当脆弱的。

2、超导条件较为严苛

通过相图能量调控可以实现超导增强，然而超导只出现在一个狭窄的密度窗口，最高临界温度T_c≈30 mK。

新思路

有鉴于此，加州理工学院Stevan Nadj-Perge等人展示了在BLG上放置单层二硒化钨(WSe₂)可以极大地促进Cooper配对：在零磁场下出现超导电性，在T_c上表现出一个数量级的增强。通过将BLG-WSe₂中的量子振荡映射为电场和掺杂的函数，建立了超导性出现在正常状态极化的区域，其中四种自旋谷中有两种主要分布。面内磁场测量进一步揭示了BLG-WSe₂中的超导电性可以表现出显著的临界场对掺杂的依赖性，Chandrasekhar–Clogston (Pauli)极限在超导穹顶的一端大致服从，而在另一端则急剧违反。此外，只有垂直电场将BLG空穴波函数推向WSe₂时才会产生超导性，这表明近距离诱导(Ising)自旋-轨道耦合在稳定配对中起着关键作用。该研究结果为工程上坚固、高度可调和超清洁的石墨烯基超导体铺平了道路。

技术方案：

1、展示了位移场不对称

作者发现当与一侧放置的WSe₂结合时，BLG成为探测电子相关和诱导SOC之间相互作用的理想平台，由此得到的相图相对于D场的符号是强不对称的。

2、探究了零磁场下的超导性

作者探究了零磁场下的超导性，并通过临界温度T_c随n和D的演化进一步了解超导相，证实了超导相的稳定性。

3、分析了量子振荡特性

作者通过测量低场量子振荡进一步突出了D场的不对称性，意味着在不同的相内有不同的费米表面结构。

4、探究了掺杂依赖的Pauli限制违例

作者通过面内磁场测量阐明了BLG-WSe₂中超导的非常规性质，发现对于g = 2的弱耦合自旋单线态BCS超导体，其泡利极限的违例随掺杂而变化。

技术优势：

1、实现了零磁场下的超导，临界温度提高一个数量级

作者通过在BLG上放置单层WSe₂极大地促进Cooper配对，在零磁场下出现超导电性，在T_c上表现出一个数量级的增强。

2、解析了影响Cooper配对的关键因素

作者只有垂直电场将BLG空穴波函数推向WSe₂时才会产生超导性，表明近距离诱导(Ising)自旋-轨道耦合在稳定配对中起着关键作用。

3、为石墨烯基超导体的探索铺平了道路

作者表明诱导SOC以及其他参数，如虚拟隧道效应取决于WSe₂和石墨烯的相对取向，因此是可调的，为进一步的探索提供了丰富的前景。

技术细节

位移场不对称

作者展示了BLG-WSe₂叠加和存在垂直电位移场(D)时对应的价带，其中考虑了WSe₂的诱导自旋-轨道耦合(SOC)。在有限D场中，BLG具有电荷中性带隙、BLG特征和在弱色散带边缘附近的突出范霍夫奇点(VHS)。当与一侧放置的WSe₂结合时，BLG成为探测电子相关和诱导SOC之间相互作用的理想平台。作者发现得到的相图相对于D场的符号是强不对称的，明显的±D不对称性突出了Ising SOC在定义BLG-WSe₂相图中的作用。

图  BLG-WSe₂的相图与零磁场超导性

零磁场下的超导性

BLG-WSe₂相图中正、负D场之间最显著的区别是在D>0处出现了一个宽阔的超导区域。在hBN包裹的BLG中没有观察到类似的区域，其中超导性只出现在有限的面内磁场中。BLG-WSe₂的零磁场超导临界电流表现出非微不足道的掺杂依赖性，有两个明显的极大值(达到20 nA)。相比之下，当D<0时，对于相似的n和∣D∣观察到具有高度非线性电流依赖性电阻的不同相。这种电阻相被小磁场抑制，类似于零磁场相。通过临界温度T_c随n和D的演化进一步了解超导相，观察到的超导临界温度比hBN封装BLG中的T_c大一个数量级。此外，相对较高的T_c似乎对D场的微小变化不敏感，进一步证实了超导相的稳定性。

图  超导相随温度和面外磁场的演化

量子振荡

在D/ϵ0 =±1 V nm⁻¹处测量的低场(B⟂<1 T)量子振荡进一步突出了D场的不对称性，这意味着在D>0的超导区域内和在D<0的电阻相内有不同的费米表面结构。作者针对不同的情况进行了讨论，结果表明载流子自发地极化到一个三角扭曲的口袋中，指向向列序。

图  超导态的费米表面结构

掺杂依赖的Pauli限制违例

面内磁场测量进一步阐明了BLG-WSe₂中超导的非常规性质。作者展示了D/ϵ0 = 1.1 V nm⁻¹处超导区域R_xx随密度n和面内磁场B_∥的关系。从低密度∣n∣接近超导时，面内临界场B_c∥在相边界附近迅速达到最大值，然后随着空穴掺杂的进一步增加而缓慢降低。相反，在零B场处测量的临界温度T_c0呈现出更对称的圆顶形状，在较高的∣n∣处最大值。B_c∥与T_c0的相互作用表明，对于g因子g = 2的弱耦合自旋单线态BCS超导体，其泡利极限的违例随掺杂而变化。

图  掺杂依赖的Pauli限制违反

展望

总之，作者针对石墨烯基系统的超导性质这一持续谜题，注意到BLG-WSe₂和moiré石墨烯超晶格之间的诱人的一般相似性。在这两个体系中，超导性似乎与对称破碎态密切相关，在这种状态下，四种自旋谷味中有两种主要分布。未来需要努力解决石墨烯系统中不同超导相之间明显差异的起源。研究结果表明诱导SOC以及其他参数，如虚拟隧道效应取决于WSe₂和石墨烯的相对取向，因此是可调的，为进一步的探索提供了丰富的前景。

参考文献：

Zhang, Y., Polski, R., Thomson, A. et al. Enhanced superconductivity in spin–orbit proximitized bilayer graphene. Nature 613, 268–273 (2023).

DOI：10.1038/s41586-022-05446-x

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05446-x