麻省理工Nature子刊：新興的莫爾超導體家族—魔角多層石墨烯家族

01【導讀】

魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中相關態和超導性的發現為探索相互作用驅動和拓撲現象建立了一個新平臺。然而，盡管在莫爾系統中觀察到大量相關相，但穩健的超導性似乎是最不常見的，僅在 MATBG 中發現，最近在魔角扭曲三層石墨烯（MATTG）中發現。值得注意的是，MATTG中的超導性在面內磁場中持續存在約3 倍于傳統 BCS 超導體的泡利極限。而 MATBG 中的臨界磁場并沒有明顯違反其標稱泡利極限。MATBG 和 MATTG 之間的異同引發了新的思考，即實現穩健的莫爾超導所需的關鍵成分是什么，以及這兩個系統是否可能是更大的新型超導體家族的一部分。實際上，研究人員希望找到一種可靠的方法來構建新的莫爾超導體，因為單靠平帶的存在并不能保證超導性，正如其他幾個基于石墨烯的莫爾系統所證明的那樣。此外，這樣的研究還可以極大地幫助理解這些超導體背后的機制。

02【成果掠影】

近日，麻省理工學院的實驗物理學家Pablo Jarillo-Herrero課題組發表了研究性論文，報告了超導魔角扭曲四層和五層石墨烯的實驗實現，將交替扭曲魔角多層石墨烯建立為強大的莫爾超導體家族。這一發現表明，成員共享的平帶在超導性中起著核心作用。在平行磁場中的測量，特別是對泡利極限違反和自發旋轉對稱性破壞的研究，揭示了 N=2 和 N>2 層結構之間的明顯區別，這與它們對磁場的軌道響應之間的差異一致。該研究結果擴展了新興的莫爾超導體家族，為設計新的超導材料平臺提供了新的見解和潛在的影響。

相關綜述文章以“Robust superconductivity in magic-angle multilayer graphene family”為題發表在Nature Materials上。本文的第一作者為麻省理工學院物理系的研究生Jeong Min Park和曹原博士。

03【核心內容】

1. 作者將交替扭曲魔角多層石墨烯建立為強大的莫爾超導體家族。從N=2到N=5的魔角家族所有成員中發現超導性對其機制具有深遠的影響。無論層數如何，超導性的存在意味著所有這些系統共享的特殊平帶可能在形成強大的超導性方面發揮關鍵作用。
2. 此外，所有這些結構共有的 C_2zT 對稱性也可能是超導穩健性背后的重要因素，因為迄今為止研究的大多數缺乏這種對稱性的莫爾系統似乎都不是穩健的超導體。

04【數據概覽】

圖一、魔角多層石墨烯? 2022 The Authors

圖二、MAT4G 和 MAT5G 中的穩健超導性? 2022 The Authors

圖三、超導狀態的面內磁場依賴性? 2022 The Authors

圖四、平面內磁場軌道效應? 2022 The Authors

作者簡介

Pablo Jarillo-Herrero，麻省理工學院的 Cecil 和 Ida Green 物理學教授。1999 年在西班牙瓦倫西亞大學獲得了物理學學位，2001年獲得了加州大學圣地亞哥分校碩士學位，2005年于獲得代爾夫特理工大學博士學位，2006年以Nano Research Initiative Fellow的身份加入當時還在哥倫比亞大學，2008 年 1 月加入麻省理工學院擔任物理學助理教授，并于 2015 年獲得終身教職。他于 2018 年晉升為物理學正教授。獲得獎項包括:西班牙皇家學會青年研究者獎(2006)，美國國家科學基金會職業獎(2008)，IUPAP半導體物理學青年科學家獎(2010)，美國能源部早期職業生涯獎(2011)，科學家和工程師早期職業生涯總統獎(PECASE, 2012)，ONR青年研究者獎(2013)，摩爾基金會量子系統實驗物理學研究者獎(2014)。Jarillo-Herrero教授被Clarivate Analytics-Web of Science選為高引用學者(2017年至今)，并被選為APS研究員(2018年)、加拿大高級研究院量子材料項目研究員(CIFAR, 2019年)。Jarillo-Herrero教授獲得了2020年美國物理學會Oliver E. Buckley凝聚態物理學獎、2020年Wolf物理學獎、2020年西班牙皇家物理學會獎章、2021年Lise Meitner杰出演講和獎章，以及2021年美國國家科學院科學發現獎。

文獻鏈接：Park, J.M., Cao, Y., Xia, LQ. et al. Robust superconductivity in magic-angle multilayer graphene family. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01287-1.

?本文由景行供稿。