石墨烯超导最新Science:调整扭曲双层石墨烯的超导性

研究人员通过改变层间间距与静水压力的关系,在大于1.1°的扭转角下诱导超导态,而在这个角度上,相关态并不存在。其低无序器件揭示了超导相图与其附近绝缘体之间的关系,该研究结果表明扭曲双层石墨烯为探索相关态提供了一个独特的可调整平台。

【引言】

许多材料的电子特性可以通过假设无相互作用的电子简单地填充能带得以描述,然而,对于具有窄色散平坦能带的材料,由于其中动能相对于库仑作用能较小,因而电子具有无相互作用的假设难以成立,与之相反,电子基态可以通过最小化的电子间库仑排斥相互作用得以驱动。最近的研究表明,在由层状二维材料组成的异质结中,只需调整层间的旋转顺序即可实现窄的孤立能带。双层石墨烯就是一个典型的例子,其由两个垂直堆垛的单层石墨烯构成,堆垛序列为AB型(Bernal)。将石墨烯层从Bernal堆垛处旋转到所谓的“魔角”(~1.1°)处,可以实现莫尔超晶格与层间杂化的相互作用,在电荷中性点处形成孤立的平坦能带。在该平带角处,最近的实验已经证明,对于空穴型载流子,半带填充时的绝缘相与半带稍远填充时掺杂的超导性有一定关联。
扭曲双层石墨烯(tBLG)超导性的发现引起了研究人员的极大兴趣,部分原因在于它可能源自于一种非常规的电子介导的配对机制,并且材料的组成很简单,即只有碳原子。在tBLG中,整个超导相图可以通过场效应门在单个器件中得以访问,此外,tBLG中可用的自由度(包括扭角控制、层间分离及由位移场引起的层间不平衡等)为从实验上调整电子结构成为可能,这在以前所研究的超导体中已被证明难以实现。

【成果简介】

哥伦比亚大学的Cory R. Dean和加州大学圣巴巴拉分校的Andrea F. Young(共同通讯作者)等人在平带条件下测量tBLG中超导与相关绝缘态的关系。研究表明,除了扭转角,还可以采用层间耦合得以精确地调整这些相位。研究人员通过改变层间间距与静水压力的关系,在大于1.1°的扭转角下诱导超导态,而在这个角度上,相关态并不存在。其低无序器件揭示了超导相图与其附近绝缘体之间的关系,该研究结果表明扭曲双层石墨烯为探索相关态提供了一个独特的可调整平台。2019年3月8日,相关成果以题为“Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene”在线发表于Science上。

【图文导读】

图一 扭曲角为1.14°时器件的超导性

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图二 通过压力驱动超导性与相关绝缘态

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图三 压力下tBLG相图

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图四 平带tBLG中的量子振荡

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图五 相关绝缘态的平行场依赖关系

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文献连接:Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene(Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav1910)

本文由材料人学术组杜成江编译供稿,材料牛整理编辑。

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