上交學術伉儷率隊在晶體石墨烯中觀察到超導態，實現1.6V/nm外加垂直位移電場，助力構筑新型超導量子器件

近日，上海交通大學的李聽昕副教授和劉曉雪副教授夫婦聯合武漢大學團隊，造出一種高質量的 Bernal 堆垛雙層石墨烯、以及單層的二硒化鎢異質結樣品，實現了 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態，并揭示了電子摻雜端超導態與空穴摻雜端超導態在平行磁場之下的差異。

此外，課題組還在石墨烯導帶觀察到一系列的自發對稱性破缺態。

（來源：Nature）

隨著載流子摻雜的變化和垂直位移電場的變化，這些對稱性破缺態的費米面結構也會發生變化。針對這種變化，該團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量和調控能力發展至新的高度。

在零下 270 多攝氏度的極低溫條件下，該團隊基于這一體系探索出了新的量子物態與量子物性。

（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態，這也是學界首次在單晶石墨烯中觀察到電子摻雜的超導電性。

空穴端和電子端的超導態強度，都可以通過外加的垂直位移電場進行有效調節。

實驗中，課題組測量到的最高超導轉變溫度分別為大約 450mK 和 300mK。

而在當下的單晶石墨烯系統之中，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轉變溫度。

研究中，針對雙層石墨烯中的電子摻雜超導性質和空穴摻雜超導的性質，課題組也進行了詳細對比。

結果十分出乎意料：在超導轉變溫度和超導臨界垂直磁場等超導性質類似的情況之下，空穴摻雜超導和電子摻雜超導這兩種超導態，展現出截然不同的平行磁場依賴性。

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

此前人們認為：通過近鄰效應所引入的 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超導態的增強效果。

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

但是，該團隊發現：利用費米面分析的方法，盡管在導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電性卻并不會違反泡利順磁極限。

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

與此同時，目前人們發現的石墨烯超導系統大多是亞穩態結構，比如轉角石墨烯系統、三層菱方堆垛石墨烯系統，而這種亞穩態結構限制了相關應用的發展。

Bernal 堆垛雙層石墨烯，則是一種擁有穩態結構的石墨烯。長遠來看，它有希望被用于構筑新型超導量子器件，為量子計算等研究提供新的可能。

日前，相關論文以《電子和空穴摻雜的伯納爾雙層石墨烯的可調諧超導性》（Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene）為題發在 Nature[1]。

圖 | 相關論文（來源：Nature）

上海交通大學博士生李楚善是第一作者，上海交通大學的李聽昕副教授和劉曉雪副教授、以及武漢大學吳馮成教授擔任共同通訊作者。

圖 | 研究人員（來源：課題組）

石墨烯領域的學術伉儷

據介紹，石墨烯超導的研究熱潮可以追溯到幾年前。2018 年，在具有平帶能帶結構的魔角雙層石墨烯摩爾超晶格系統中，美國麻省理工學院團隊報道了一種相關聯的絕緣體態和超導態。

隨后，在魔角多層石墨烯摩爾超晶格系統中，人們也觀察到了類似的新奇電子態。

不久之后，該領域迎來了快速進展。同時，關于石墨烯超導態的研究，逐步擴展到不存在摩爾超晶格的晶體石墨烯系統之中。

2021 年，美國加州大學圣塔芭芭拉分校團隊在菱方堆垛的三層石墨烯的空穴端，首次觀察到了超導態。

其最強超導態的轉變溫度約為 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現象。

2022 年，美國加州大學圣塔芭芭拉分校團隊又在 Berna 堆垛的雙層石墨烯中的空穴摻雜端，觀察到了超導態。

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

2023 年，美國加州理工大學團隊發現：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成的異質結中，通過二硒化鎢的近鄰作用，可以增強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態。并且，其最高轉變溫度會被提高至大約 300mK。

而且，相比傳統常規超導，超導態展示出不同的特性。例如，針對平行磁場依賴性的研究顯示：超導態破缺了傳統超導體所遵循的泡利極限。

相關實驗也顯示：Bernal 堆垛雙層石墨烯的超導態，對于垂直電場具有很強的依賴性。

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

但是，在這種電場條件之下，超導態仍未完全消失。因此，超導態隨垂直位移電場的依賴關系，是一個尚不完善的結論，還有待進一步的實驗研究。

而摩爾石墨烯超導態和晶體石墨烯中超導態的機制、以及這兩個體系的超導態之間的關系，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超導態性質增強的具體機制，也需要通過進一步的實驗研究和理論研究來揭示。

（來源：Nature）

近年來，晶體石墨烯超導態——是李聽昕和劉曉雪夫婦共同關注的方向。

2022 年，在一次閑聊中劉曉雪指出：目前雙層石墨烯體系超導的實驗，所能實現的最高垂直位移電場強度大約為 1V/nm，這讓超導態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：即超導態和自發對稱性破缺態，是如何隨電場發生演化的？

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剛入組的博士生。

于是，二人決定開展這個課題，并指定由剛入組的博士生李楚善來制備樣品。

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

跨越千里的京滬兩地實驗

由于受到設備禁運的影響，導致課題組無法在短時間內買到稀釋制冷機，自然也就無法開展小于 1.5K 的極低溫的輸運測量。

于是，他們利用最低溫為 1.5K 的低溫磁場系統來挑選樣品。在這個溫區之下雖然無法看到體系的超導態，但是對于所制備的雙層石墨烯器件來說，已經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的自發對稱性破缺態，據此來判斷樣品的質量高低。

通過低溫測量的方法，選出高質量樣品之后，再將其置于稀釋制冷機中，即可測量樣品的超導態性質。

一般來說，稀釋制冷機可以實現的最低溫度在 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院物理研究所的相關實驗裝置的機時使用權。

這臺裝置位于北京市懷柔區，每次他們只能申請到一到兩個星期的機時。

前前后后，該團隊從上海往返北京三次，才測完全部數據。

與此同時，高質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測量。

在仔細分析數據之后，李聽昕、劉曉雪、李楚善等三人，聯合來自武漢大學的理論合作者吳馮成教授團隊，通過開展多次深入討論，針對所發現的物理新現象達成了趨近一致的看法。

隨后，吳馮成團隊開始著手理論計算，李聽昕、劉曉雪則開始撰寫論文。

為了回復審稿人的意見，李楚善及團隊其他幾位研究生于 2024 年 3 月再次從上海趕赴北京，進行了第三次稀釋制冷機溫區的測量。

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，該團隊將采取兩步走：

一方面，將繼續深入研究石墨烯體系中超導態的性質。

比如，研究庫倫屏蔽對于晶體石墨烯超導態強度的影響，以及研究二維半導體近鄰效應對于菱方堆垛三層石墨烯超導態的影響等。

通過此，希望能為全面理解石墨烯體系的超導態機制提供關鍵的實驗信息。

另一方面，將基于石墨烯超導設計方案，制備新型的超導量子器件。