石墨烯超導最新Science：調整扭曲雙層石墨烯的超導性

江河入海 4年前 (2019-03-08) 36347瀏覽

【引言】

許多材料的電子特性可以通過假設無相互作用的電子簡單地填充能帶得以描述，然而，對于具有窄色散平坦能帶的材料，由于其中動能相對于庫侖作用能較小，因而電子具有無相互作用的假設難以成立，與之相反，電子基態可以通過最小化的電子間庫侖排斥相互作用得以驅動。最近的研究表明，在由層狀二維材料組成的異質結中，只需調整層間的旋轉順序即可實現窄的孤立能帶。雙層石墨烯就是一個典型的例子，其由兩個垂直堆垛的單層石墨烯構成，堆垛序列為AB型（Bernal）。將石墨烯層從Bernal堆垛處旋轉到所謂的“魔角”（~1.1°）處，可以實現莫爾超晶格與層間雜化的相互作用，在電荷中性點處形成孤立的平坦能帶。在該平帶角處，最近的實驗已經證明，對于空穴型載流子，半帶填充時的絕緣相與半帶稍遠填充時摻雜的超導性有一定關聯。
扭曲雙層石墨烯（tBLG）超導性的發現引起了研究人員的極大興趣，部分原因在于它可能源自于一種非常規的電子介導的配對機制，并且材料的組成很簡單，即只有碳原子。在tBLG中，整個超導相圖可以通過場效應門在單個器件中得以訪問，此外，tBLG中可用的自由度（包括扭角控制、層間分離及由位移場引起的層間不平衡等）為從實驗上調整電子結構成為可能，這在以前所研究的超導體中已被證明難以實現。

【成果簡介】

哥倫比亞大學的Cory R. Dean和加州大學圣巴巴拉分校的Andrea F. Young（共同通訊作者）等人在平帶條件下測量tBLG中超導與相關絕緣態的關系。研究表明，除了扭轉角，還可以采用層間耦合得以精確地調整這些相位。研究人員通過改變層間間距與靜水壓力的關系，在大于1.1°的扭轉角下誘導超導態，而在這個角度上，相關態并不存在。其低無序器件揭示了超導相圖與其附近絕緣體之間的關系，該研究結果表明扭曲雙層石墨烯為探索相關態提供了一個獨特的可調整平臺。2019年3月8日，相關成果以題為“Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene”在線發表于Science上。

【圖文導讀】

圖一扭曲角為1.14°時器件的超導性

圖二通過壓力驅動超導性與相關絕緣態