研究前沿：魔角石墨烯 | Nature Physics

石墨烯莫尔系统是研究复杂相图的理想环境，以及机制的基本见解，因为可控操纵石墨烯莫尔系统的电子性质。魔角石墨烯，已经成为探索莫尔超导的关键平台，这是由于超导序的稳健性和电场调节能带的能力。

近日，瑞士 洛桑联邦理工学院Zekang Zhou，Mitali Banerjee等在Nature Physics上发文，报道了在魔角石墨烯的相图中，直接观测到的两个超导穹顶。

掺杂空穴的超导电性与温度、磁场和偏置电流关系表明，在莫尔平带的特定填充附近，掺杂空穴的超导电性被抑制，导致在有限的位移场范围内，相图中出现双穹顶。输运性质也表明，相变和两个穹顶中超导电性的潜在不同性质。

Hartree–Fock计算结合了温和的应变，产生了不相称Kekulé螺旋态，有效自旋极化峰出现在实验超导电性被抑制的区域。这种双穹顶行为与材料中狄拉克电子带与平带的杂化以及Kekulé螺旋序的演化密切相关。该发现为理解非常规超导机制提供了新平台，尤其在强关联电子系统中“超导与竞争序”的相互作用方面具有重要意义。

Gate-tunable double-dome superconductivity in twisted trilayer graphene.

三层转角石墨烯中，栅极可调双穹顶超导电性。

图1:三层转角石墨烯中的超导相（T=100mK）。

图2:超导电性的温度和磁场关系（T=100mK，温度关系除外）。

图3:超导电性和I–V磁滞的偏置电流关系（T=100 mK）。

图4:位移场可调双穹顶超导（T=100mK）。

图5: 跨ν*的Hartree–Fock相图和费米面重构。

在魔角扭曲三层石墨烯中，首次直接观测到“双穹顶超导”现象。该材料通过调控电场，可在两个不同的电子填充区域分别实现超导，中间区域超导被抑制。实验表明，两个超导穹顶在临界温度、临界磁场和电流-电压特性上存在显著差异，右穹顶甚至表现出明显的电流-电压回滞现象。

• 三层石墨烯，中间层旋转约1.55°，形成莫尔超晶格（波长约9.1 nm）。
• 六方氮化硼作为介电层，顶部和底部石墨作为栅极。
• 通过干法转移技术堆叠，电子束光刻制备霍尔条形器件。

文献链接

Zhou, Z., Jiang, J., Karnatak, P. et al. Gate-tunable double-dome superconductivity in twisted trilayer graphene. Nat. Phys. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41567-025-03040-2

本文译自Nature。