Nat. Commun. 魔角三层石墨烯中时间反演对称破缺超导的相位敏感证据

导语

对原子级薄的二维超导体而言，核磁共振奈特位移、极化中子散射与 μ 子自旋旋转等判定配对对称性的体探针都难以实施，范德华异质结中可实现的约瑟夫森干涉因而成为可用的相位敏感手段。Nat. Commun. 发表的研究在魔角扭角三层石墨烯（MATTG）与铝之间制备平面与角约瑟夫森结，测到临界电流随垂直磁场的强不对称调制与依赖磁场扫描方向的磁滞，这些特征只在约 0.8 K 以下出现并随降温增强，与时间反演对称破缺的超导态相符。

研究背景

魔角扭角三层石墨烯由三层石墨烯以特定角度堆叠而成，其莫尔平带、自旋与谷自由度以及可栅压调控的相互作用给出包括陈绝缘体、轨道铁磁与超导在内的多种关联相。MATTG 超导的配对对称性仍未确定，大临界温度与费米温度之比和短相干长度指向强耦合，隧穿谱给出 V 形超导能隙、超流刚度亦提示节点型配对，但节点在动量空间的位置与配对对称性尚无定论；面内磁场下对泡利顺磁极限的显著违反也难以用纯自旋单态配对解释。约瑟夫森结的相位敏感测量曾用于铜氧化物、UPt₃ 与 Sr₂RuO₄，可直接探测超导序参量的轨道分量，并因对界面相位关系敏感、受体不均匀性影响较小而能移植到范德华异质结中。

制备方法与样品信息

器件用干法转移制备，将机械剥离的石墨烯与六方氮化硼转移到 SiO₂/Si 衬底上，转角用 θ 台瞄准 1.55°，整个流程在 180 °C 以下完成以避免层间弛豫，其中六方氮化硼在 90 °C 拾取、石墨烯在 35 °C 及以下拾取、在 180 °C 释放；霍尔条、约瑟夫森结与 SQUID 图形用电子束光刻定义并以反应离子刻蚀形成边缘接触，电极依次沉积 Ti/Pd/Al，其中 6 nm 的 Ti 与 Pd 作为正常金属层构成超导-正常金属-超导结。铝为各向同性 s 波 BCS 超导体，临界温度 1.2 K、能隙约 0.2 meV；输运测量在稀释制冷机约 10 mK 下以直流四端法进行；MATTG 的相干长度约 40 nm，远大于约 6 nm 的结长，结处于短结区。

关键结果：平面与角结的电流-磁场反转对称性对比

1. 角结破坏电流-磁场反转对称性。 平面结的临界电流随垂直磁场呈类夫琅禾费调制，且 I_c⁺(+B) 与 -I_c^–(-B) 基本重合，保持电流-磁场反转（CFI）对称性；60° 角结则给出明显不对称的干涉图样，正负偏置的临界电流不满足该关系，该不对称在多次磁场扫描与独立降温循环中均可复现。

2. 角结干涉图样随磁场扫描方向出现磁滞。 在下扫与上扫中测得的临界电流不同，说明图样依赖磁场历史；把上扫曲线同时反转磁场轴与电流轴后与下扫曲线几乎重合，说明磁滞不由固定剩余场或静态陷落磁通引起，而指向磁历史依赖的超导相位构型，例如手性相反的亚稳态畴。

3. 角 SQUID 的相位移动随扫描范围变化。 把两个结集成到 120° 角干涉环后，临界电流随垂直磁场呈周期约 0.4 mT 的 SQUID 振荡；从 1 mT 起始扫描时第二个峰向高场移动约 0.06 mT，从 1.8 mT 起始时第三个峰再移约 0.25 mT，分别对应约 0.15 与 0.625 个磁通量子的有效磁通偏移。0° SQUID 未测到扫描历史依赖的相位移动，90° 与 120° SQUID 出现移动，说明该偏移对结所探测的晶体学取向敏感；作者以 s + d + id’ 复合序参量估计出约三分之二个磁通量子的图样位移，与实测的约 0.625 个磁通量子接近。

4. 时间反演对称破缺在约 0.8 K 以下出现。 随温度升高，干涉图样的不对称与磁滞逐渐被抑制，约 0.8 K 时图样近乎对称；无量纲不对称指数在低温明显、在约 0.8 K 趋零，该温度显著低于约 2 K 的超导起始温度，并在整个超导穹顶内与之保持分离，指向超导态内的次级温度标度。

图1 器件结构与超导性质。MATTG 两侧由铝电极接触并封装于六方氮化硼之间；电阻-填充-温度图给出约 2 K 起始的超导区，微分电阻图与临界电流的类夫琅禾费调制确认相位相干耦合，模拟给出平面结保持 CFI 对称而角结破坏该对称。

图2 同一器件上平面结与 60° 角结的测量构型与临界电流干涉图样。平面结的正负偏置曲线与其 CFI 对应曲线基本重合，角结的对应曲线明显分离；下排给出对应的 s + (d ± id) 多畴序参量模拟图样。

图3 时间反演对称破缺的干涉证据。角结中下扫与上扫给出磁滞，且上扫曲线经磁场反向后与下扫曲线接近；120° 角 SQUID 的振荡峰位置随扫描起始场移动，对应不同的有效磁通偏移。

图4 干涉图样随温度的演化。不对称与磁滞在低温最强并随升温减弱，约 0.8 K 时趋于对称；不对称指数随温度趋零，其消失温度在整个超导穹顶内明显低于超导起始温度。

机制与应用

约瑟夫森干涉把超导序参量的内部轨道相位结构转换为可测的图样偏移，为莫尔超导体的相位结构提供了一种相位敏感探针；角几何尤其严格，要求洁净、短且相位相干的接触，同时保持晶体学取向可控。

数据与内在的时间反演对称破缺超导态相符，例如 s + id 或 d + id 配对；在这一图像下，时间反演共轭的两个简并态之间的切换可自然给出非互易的干涉图样与扫描方向之间的磁滞。该结果与近期报道的 MATTG 向列超导证据互补，后者主要探测破坏旋转对称的实分量，相位敏感干涉则对破缺时间反演对称的虚分量敏感，二者可在顺序对称破缺的图像下统一；作者还把约 0.8 K 的次级温度标度与 UPt₃、Sr₂RuO₄ 中应变解除两分量序参量简并的类似现象相联系。

作者逐一评估了外在机制；磁通陷落与涡旋钉扎可给出磁滞或静态偏移，却不易产生整个图样的反转关系；不对称与磁滞在重复扫描与独立降温后可复现，且器件驱动到正常态再回到超导态后仍保持不变；平面结与角结的强烈对比更自然地由具有内部复相位结构的超导态解释，电流不均匀或局域磁结构不易给出这种几何依赖。作者说明其倾向内在超导解释，而确定磁、超导与可能的畴构型的空间演化仍需进一步的局域成像；文中的模拟用于说明复序参量可自然给出平面与角图样的对比，并不构成唯一的微观拟合。

结语

平面与角约瑟夫森几何的对比显示，MATTG 与常规 s 波超导体之间的临界电流干涉呈强不对称与磁滞并违反电流-磁场反转关系；这些特征在扫描方向与降温循环中可复现，几何不均匀与磁通陷落不足以解释，指向 MATTG 的时间反演对称破缺超导态；超导在约 2 K 起始，时间反演对称破缺的迹象只在约 0.8 K 以下显著，这一能量尺度分离说明超导相最初保持时间反演对称，破缺在更低温以次级不稳定性出现。

该成果以“Phase-sensitive signatures of time-reversal-symmetry-breaking superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene”为题发表在 Nature Communications 期刊，第一作者是 Taehyeok Jin，通讯作者是 Gil Young Cho 与 Sungjae Cho。

论文信息

– 英文题名：Phase-sensitive signatures of time-reversal-symmetry-breaking superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene

– 作者：Taehyeok Jin, Cheong-Eung Ahn, Seok Lee, Jaehyun Cho, Dongbeom Goo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Gil Young Cho, Sungjae Cho

– 期刊：Nature Communications

– 发表日期：2026-10-07

– DOI：10.1038/s41467-026-78374-3