上海交通大学/武汉大学 | 羡慕了！夫妻携手，发Nature!​ | 石墨烯

2024年6月19日，上海交通大学物理与天文学院长聘教轨副教授李听昕、上海交通大学李政道研究所长聘教轨副教授刘晓雪及武汉大学吴冯成以共同通讯的身份在Nature 在线发表题为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”的研究论文，该研究报道了通过静电掺杂在电子和空穴掺杂的BBG/ WSe₂器件中观察到的超导性和一系列flavour-symmetry破坏相。

在此之前，李听昕、刘晓雪这对神仙夫妻就分别以第一作者或通讯作者发表2篇Nature，1篇Science，5篇nature大子刊（nature materials，nature physics，nature nanotechnology）！

今日这篇最新的《Nature》，研究人员报告了通过静电掺杂在电子和空穴掺杂的BBG/WSe₂器件中观察到的超导性和一系列味对称性破坏相。观察到的超导强度可以通过施加的垂直电场进行调整。电子和空穴掺杂超导的最大Berezinskii-Kosterlitz-Thouless转变温度分别约为210 mK和400 mK。只有当施加的电场将BBG电子或空穴波函数驱动向WSe₂层时，才会出现超导性，这强调了WSe₂层在观察到的超导性中的重要性。空穴掺杂的超导性违反了Pauli顺磁极限，与Ising类超导体一致。相比之下，电子掺杂的超导性遵循Pauli极限，尽管邻近诱导的Ising自旋轨道耦合在导带中也很显着。研究结果强调了与BBG中的导带相关的丰富物理原理，为进一步研究结晶石墨烯的超导机制和基于BBG的超导器件的开发铺平了道路。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w

电子和空穴掺杂超导性

图1展示了BBG/WSe2器件的几何结构，其中双栅极Vtop和Vback分别独立控制D和BBG中的载流子密度n。BBG的超导性是通过静电掺杂实现的。研究发现，电子掺杂和空穴掺杂的BBG均表现出独特的超导特性。对于空穴掺杂BBG，当所施加的电场使空穴波函数靠近WSe2层时，就会发生超导，达到约400mK的最大转变温度。相比之下，电子掺杂的BBG表现出超导性，最高转变温度约为210 mK，也要求电子波函数接近WSe₂层。电子-空穴不对称性与BBG导带和价带的不对称能带结构有关（图1c）。电子掺杂和空穴掺杂超导的实验装置和相图突出显示检测到超导的区域。

图 1. BBG/WSe₂的相图以及电子和空穴掺杂超导性

空穴掺杂侧的量子振荡

研究量子振荡可以提供关于费米面结构的重要信息。图2a展示了在D=1.1V/nm的空穴掺杂侧，Rxx随垂直磁场B⊥和n的变化。通过Rxx(1/B⊥)的快速傅里叶变换(FFT)，可以区分出几组量子振荡，如图2c所示。频率fν由总载流子密度归一化，代表给定回旋轨道包围的总费米面面积的分数。在超导区较低的空穴密度下，可以识别出两个频率，fν(1)>1/12和fν(2)<1/12，表明存在六个较小的费米口袋和六个较大的费米口袋。相反，在D=-1.1V/nm时，FFT频率峰仅出现在fν=1/12（扩展数据图4），对应于具有12重简并性的自旋和谷对称费米面，这与WSe₂诱导的IsingSOC在正D下提升BBG价带的自旋和谷简并性的情况一致。当施加的D场超过1.4V/nm时，空穴掺杂的超导性消失。同时，费米面结构变得不那么复杂。

图 2. 空穴掺杂超导的费米面分析

电子掺杂侧的量子振荡

图3a,b分别展示了在D=1.55V/nm和-1.55V/nm下电子掺杂侧，Rxx随B⊥和n的变化。相应的FFT结果如图3c,d所示。在D=1.55V/nm和高电子密度下，费米面是自旋和谷对称的，具有四重简并性（fν=1/4），这与没有味对称破缺和三角形翘曲效应的最简单的石墨烯系统预期一致。随着电子密度的减少，自发的味对称破缺发生，使费米面简并性降低到两重，最终降低到单重。这些结果类似于报道的菱形三层、四层和五层石墨烯中的半金属和四分之一金属相。重要的是，在正常金属相（四重简并）和半金属相（两重简并）之间，以及在半金属相和四分之一金属相（单重简并）之间，他们观察到部分同位素极化的费米面（PIP1和PIP2），类似于空穴掺杂的情况。

图 3. 电子掺杂超导的费米面分析

对面内磁场的响应

在研究BBG/WSe₂系统对面内磁场的响应时，研究人员发现，空穴掺杂的超导性表现出明显的各向异性响应，而电子掺杂的超导性则表现出各向同性响应。这表明空穴掺杂的超导性具有Ising超导特性，而电子掺杂的超导性则不具有这种特性。超导态对面内磁场的对比响应：空穴掺杂BBG显示出对泡利极限的显着突破，表明强伊辛型SOC，而电子掺杂BBG符合泡利极限，表明不同的潜在机制。泡利破坏比的温度和密度依赖性：增强了电子和空穴掺杂体系之间的独特行为，空穴掺杂超导性表现出对面内场的更大弹性。

图 4. 空穴掺杂和电子掺杂超导的面内磁场依赖性

结论

了解结晶石墨烯系统和扭曲石墨烯系统中的超导配对机制仍然是凝聚态物理学中最重要和最有趣的问题之一。在所有基于石墨烯的超导体中，BBG提供了最简单的平台来了解新兴的超导性。此外，与其他石墨烯超导体相比，BBG的结构稳定性是一个显着优势，可以重复制造高质量的器件。作者揭示了由n和D调整的丰富相图，用于与单层WSe₂接近的空穴和电子掺杂的BBG。在BBG中大D场下出现的味对称性破坏相与在菱形堆叠多层石墨烯中观察到的非常相似。空穴和电子掺杂的超导性都与PIP2费米面的出现和与WSe₂的接近有关。我们的研究结果突出了与BBG中的导带相关的丰富物理特性，表明了BBG/WSe₂中电子和空穴掺杂超导性之间的相似之处和差异。电子掺杂超导性并不表现为Ising类超导体这一观察结果表明WSe₂在稳定BBG中的超导性方面的作用可能不仅仅归因于Ising SOC。这些观察结果为理解结晶石墨烯系统中超导机制的理论模型提供了实质性的限制。

作者简介

刘晓雪，2009-2013山东大学 物理学院 学士，2013-2018    北京大学 量子材料科学中心 博士。2018 – 2022 布朗大学（美国） 物理系 博士后 。2022 – 至今  上海交通大学李政道研究所 长聘教轨副教授。从事实验凝聚态物理研究，研究兴趣主要为低维量子材料（石墨烯、半导体量子阱等）中的超导物理、强关联物理以及拓扑物理。研究手段主要包括极低温强磁场条件下的精密电学和热学输运测量、低维纳米材料器件的微纳加工制备等。近年来，在魔角石墨烯超导，分数量子反常霍尔效应等领域内若干前沿问题中做了深入系统地实验研究，以第一作者或通讯作者的身份发表多篇国际高水平期刊，包括Nature，Science，Nature Physics， PRX，PRB，APL等。

李听昕，2011年本科毕业于西北大学物理学系；2016年博士毕业于北京大学物理学院（导师：杜瑞瑞 教授）。2016年至2021年先后在美国莱斯大学（2016.9-2018.3, Smalley-Curl Postdoctoral Fellowship）和美国康奈尔大学（2018.3-2021.5, Prof. Kin Fai Mak & Prof. Jie Shan 课题组）从事博士后研究。2021年6月入职上海交通大学物理与天文学院，任长聘教轨副教授、博士生导师、课题组长。入选国家级青年人才和上海市海外高层次人才引进计划。