哈佛大学Philip Kim课题组最新Science：交变扭曲魔角三层石墨烯中的电场可调超导性

【引言】

扭曲双层石墨烯（TBG）的实验实现为研究莫尔工程电子带中的相互作用效应提供了新的可能性。根据早期的理论预测，两张扭曲的石墨烯薄片的杂化可以在薄片之间产生几乎扁平的“魔角”（MAs）。最初的实验表明，在掺杂这些绝缘态时，动能的降低会导致相关绝缘相和超导性的产生。在后续的实验中，在MA-TBG中发现了额外的相互作用驱动相，包括同位旋对称破缺金属、轨道铁磁性和磁场诱导的Chern绝缘体。尽管该领域进展迅速，但超导性究竟是由强电子-电子相互作用驱动的非常规超导性，还是由弱耦合电子-声子相互作用产生的常规超导性，仍然存在争议。一些实验表明，超导相与绝缘相是独立的，甚至可能是相互竞争的，在屏蔽库仑相互作用后，超导性持续或增强。然而，也有人提供证据证明超导性具有非常规的特征，例如共存的向列序和大密度态（DOSs）与更高的临界温度之间缺乏相关性。莫尔工程范德华界面的创建也已扩展到其他二维（2D）材料系统，导致观察到许多相互作用驱动相，例如扭曲的单层-双层石墨烯的量子异常霍尔态和二硒化钨（WSe₂）/二硫化钨（WS₂）莫尔超晶格中的广义维格纳晶体。然而，MA-TBG仍然是唯一明确建立超导性的系统。相比之下，在其他二维平带体系中，如与氮化硼（BN）对齐的ABC三层石墨烯、扭曲的双双层石墨烯和扭曲的WSe₂等超导性的初步报道被证明是不确定的。

【成果简介】

今日，在美国哈佛大学Philip Kim教授（通讯作者）团队等人带领下，构建了一种vdW异质结构，该结构由三层石墨烯层组成，其交错扭角为±θ堆叠。在平均扭转角θ ~ 1.56°（理论上预测为形成扁平电子带的“魔角”）下，观测到了位移场可调超导性，其最高临界温度为2.1开尔文。通过调节掺杂能级和位移场，团队发现超导机制与莫尔带的极化一起出现，并在高位移场受到范霍夫奇异性（vHS）的限制。研究发现显示出与弱耦合描述的不一致，这表明观察到的莫尔超导具有非常规的性质。相关成果以题为“Electric field–tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene”发表在了Science。

【图文导读】

图1 器件结构与表征

图2 TTG中的超导性能

图3 电场可调超导性能

图4 霍尔数据和频段结构

文献链接：Electric field–tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene（Science，2021，DOI:10.1126/science.abg0399）

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