在多层转角石墨烯中，强电子关联会产生丰富的实验可观测特征，但各类特征之间、特征与微观基态的内在关联，以及转角、能带结构，是如何调控这些物理响应，目前仍缺乏清晰认知。
近日，IBM Quantum研究所Jesse C. Hoke、斯坦福大学Aaron Sharpe & Benjamin E. Feldman等在Nature Nanotechnology上发文，在双不等转角、具备平电子能带的三层转角石墨烯中，同步开展局域热力学探测与电荷输运测试，探究各类关联物态之间的内在耦合关系。
实验选取局部转角平缓连续变化的样品区域，利用扫描单电子晶体管SET成像，直观呈现了电子-电子相互作用，对电子体系的调制效应。实验观测到带隙型关联绝缘态，以及电子压缩率倒数的非对称振荡行为；二者均表现了显著电子-空穴不对称，导带、价带各自对应不同的 “魔角”。在同一区域开展后续输运测量，还观测到稳定超导相，且超导同样具备相似的电子-空穴不对称特征。
研究表明：超导与关联绝缘态不存在直接绑定关系；但超导临界温度与压缩率振荡强度高度相关，预示二者具有共同物理起源或内在耦合。结合局域热力学探针与宏观输运两套表征技术，说明了仅依靠单一测量无法观测到的超导与热力学关联信号的内在联系，这证明这种双表征联用方案具备独特研究优势。
Link between thermodynamic correlation signatures and superconductivity in twisted trilayer graphene.
三层转角石墨烯中，热力学关联特征与超导之间联系
图1 θ₁₂/θ₂₃ ≈ 1/3 的 TTG。(A)测量装置与器件示意图,三层石墨烯沿同一方向依次扭转(螺旋堆叠),扭转角比例接近 1/3。(B)沿各层 K 点路径计算的 TTG 谱函数,(θ₁₂, θ₂₃) = (1.1°, 3.5°)。(C)在 θ₁₂ = 1.10°、T = 330 mK 处,逆电子压缩率 dμ/dn(红)与化学势 μ(蓝)随莫尔填充因子 ν 的变化;插图中 ν = 2 处 μ 的台阶定义了关联绝缘体能隙 Δ₂。
图2 扭转角依赖的相互作用强度与电子–空穴非对称性。(A)左:T = 1.6 K 下 dμ/dn 随载流子密度 n 的空间分布;右:对应的局域扭转角 θ₁₂。(B)选取若干扭转角下 dμ/dn 随 ν 的变化,黑色虚线圈出 ν = ±2 关联绝缘体(CI)与锯齿结构。(C)导带(Δμe,蓝)与价带(Δμh,红)填充所需化学势变化随 θ₁₂ 的变化。(D)ν = ±2 关联绝缘体能隙 Δ±2 随 θ₁₂ 的变化。(E)电子(空穴)掺杂锯齿强度 σe(h) 随 θ₁₂ 的变化。
图3 双栅输运与超导电性。(A、B)双栅器件结构与霍尔条几何示意图,标注了各触点对间的扭转角 θ₁₂。(C)θ₁₂ = 1.20° 处纵向电阻 Rxx 随 n 与位移场 D 的变化,白色虚线对应顶栅电压 Vt = 0(最接近 SET 测量条件)。(D–F)电阻–温度转变曲线、非线性直流 I–V 特性,以及临界电流随垂直磁场 B 的振荡,共同确认超导的存在。(G–J)四对触点在不同 θ₁₂ 下临界温度 Tc 随 n 与 D 的分布。
图4 Vt = 0 下压缩率与输运的对照。(A)上:θ₁₂ = 1.15° 触点对在 Vt = 0 下纵向电阻 Rxx(蓝)与临界温度 Tc(橙)随 n 的变化;下:同一扭转角处 dμ/dn 随 n 的线扫描,该角度下压缩率与输运中均可见关联绝缘体(CI,箭头标注)。(B–D)其余触点对的相同数据。整体而言,超导可在没有邻近关联绝缘体的情况下存在。
图5 压缩率关联特征与输运超导的对照。(A)电子掺杂超导的关联绝缘体能隙 Δ₂ 与最优掺杂临界温度 Tc^opt 随 θ₁₂ 的变化。(B)电子掺杂锯齿强度 σe 与 Tc^opt 随 θ₁₂ 的变化,二者标度近乎一致。(C、D)与(A、B)相同,但对应空穴掺杂。不同颜色代表与霍尔条重叠的不同 SET 线扫描(线扫描 2–4)。
文献链接
Hoke, J.C., Li, Y., Hu, Y. et al. Link between thermodynamic correlation signatures and superconductivity in twisted trilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02155-8
本文译自Nature。
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