俄亥俄州立大學Nature：發現了魔角石墨烯超導的可能機制

一、【導讀】

2018年3月，麻省理工學院Pablo Jarillo-Herrero教授帶領的團隊通過實驗發現，將兩層單原子厚度的石墨烯堆疊在一起，當它們之間扭曲角度為1.1°時，雙層石墨烯表現為絕緣體，而只要施加微弱的電場，這種材料就會轉變為超導體，這個特別的扭轉角度也被稱為“魔角”。在經典的金屬導電系統中，電子運動速度很快。不過，魔角石墨烯則擁有一種名為平帶的特殊電子結構，即在k空間內，不同波矢下的動能近乎不變，因此，電荷載流子的群速度v_F將會變慢。這就同經典的BCS理論產生了矛盾，即相干長度、超流體剛度和臨界電流的消失，超導性似乎不大可能出現。那么，魔角體系的平帶超導體背后的真正起因究竟是什么？

二、【成果掠影】

近日，美國俄亥俄州立大學Marc W. Bockrath教授、Chun Ning Lau教授等聯合團隊探索了扭轉雙層石墨烯（tBLG）的超導狄拉克平帶系統中微小速度效應的深遠影響。使用Schwinger有限的非線性輸運研究，研究者們證明了一個極其緩慢的正常狀態漂移速度用于填充莫爾超晶格的-1/2和-3/4之間的分數ν。在超導狀態下，相同的速度極限構成了臨界電流新的限制機制，類似于相對論超流體。更為重要的是，通過對控制超導體電動力學響應的超流體剛度的測量表明，它不是由動能主導，而是由相互作用驅動的超導間隙主導，這與最近關于量子幾何貢獻的理論一致。作者發現了小庫珀對的證據，這是Bardeen-Cooper-Schrieffer到Bose-Einstein的凝聚渡越（condensation crossover）特征，超導轉變溫度與費米溫度的比值超過了1，并討論了如何產生于超平狄拉克帶的超強耦合超導性。該論文以題為“Evidence for Dirac flat band superconductivity enabled by quantum geometry”發表在知名期刊Nature上。

三、【核心創新點】

本研究展示了一個極其緩慢的正常狀態漂移速度用于填充莫爾超晶格的-1/2和-3/4之間的分數ν，證明超平帶tBLG中的超流體剛度是由量子幾何貢獻主導的，使能更深入地理解在具有非微觀拓撲結構的平帶中如何產生超導性。

四、【數據概覽】

圖1 在θ = 1.08°、B = 0.2 T以及T = 0.3 K時tBLG的正常狀態傳輸 ? 2023 Springer Nature

（a）B = 0時，θ = 1.08°的tBLG的裝置D1的零偏壓縱向電阻R與柵極電壓V_bg以及填充分數v的關系。

（b-c）dV/dI與偏置電流密度J的關系。

（d）v_n與?的關系。

（e）各種測量方法和文獻中費米速度與扭曲角的關系圖。

（f）dV/dI（J，T）在? = -1.75×10¹¹ cm^-2時的線跡，顯示了峰值隨溫度的變化。

（g-h）θ?=?1.08°和v_n?≈?1,000?m?s^-1時迷你狄拉克點附近的tBLG的帶狀結構計算。

圖2? B=0時零偏差傳輸數據 ? 2023 Springer Nature

（a-b）特征穹頂顯示了不同?（10¹¹ cm^-2）下的超導穹頂（深藍色）和線跡R（T）。

（c-d）在T = 0.3K時，超導圓頂與B和?的關系。

（e）臨界磁場B_c和超導相干長度ξ與?的關系。

圖3 超導系統中的非線性傳輸數據 ? 2023 Springer Nature

（a）dV/dI與J和?的關系圖。

（b-e）在B=0和B=0.2T時的dV/dI以及不同臨界電流密度。

（f）超導（藍色）和正常（紅色圓圈）狀態下的臨界電流密度。。

（g）具有二次色散和Δ<<E_F的傳統超導體的費米能量轉移示意圖。

（h-j）不同J值時極限中小v_F的狄拉克帶的費米能量示意圖。

圖4 超流體剛度和平帶的特征溫度 ? 2023 Springer Nature

（a）測量的超流體剛度D_s與?的關系。

（b）相干長度ξ和粒子間距離1/kF與?的關系。

（c）臨界溫度T_c、費米溫度T_F和它們的比例與?的關系。

五、【成果啟示】

這項工作提供了實驗證據，證明超平帶tBLG中的超流體剛度是由量子幾何貢獻主導的，使我們更深入地理解在具有非微觀拓撲結構的平帶中如何產生超導性，以及當量子幾何效應占主導地位時，著名的BCS關系如何被修改，并指出了尋找高T_c超導體的可能的新的指導原則。

原文詳情：Evidence for Dirac flat band superconductivity enabled by quantum geometry ( Nature 2023, 614, 440-444)

本文由大兵哥供稿。