MIT物理学家在扭曲石墨烯“纳米三明治”中创造可调超导性

诸平

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）2021年2月1日提供的消息，该校物理学家在扭曲石墨烯“纳米三明治”中创造可调超导性，相关研究结果于2021年2月1日已经在《自然》(Nature)杂志网站发表——Jeong Min Park, Yuan Cao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Pablo Jarillo-Herrero. Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene, Nature (2021). Published: 01 February 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03192-0 , www.nature.com/articles/s41586-021-03192-0

当两层石墨烯以合适的角度叠加在一起时，层状结构就会转变成一种非常规的超导体，允许电流在没有阻力或浪费能量的情况下通过。

2018年，美国麻省理工学院（MIT）塞西尔和艾达·格林(Cecil and Ida Green) 物理学教授巴勃罗·哈里略-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）的团队首次观察到双层石墨烯中的这种“魔法角度”转变。从那时起，在新兴的“扭曲电子学(twistronics)”领域，科学家们一直在寻找其他可以类似地扭曲成超导的材料。在很大程度上，除了原来的双扭曲层石墨烯，没有其他扭曲材料表现出超导性，直到现在。

在《自然》杂志上发表的论文中，通讯作者之一巴勃罗·哈里略-埃雷罗和他的小组报告说，他们观察到了三层石墨烯薄片的三明治中的超导性，其中的中间层相对于外层扭曲成一个新的角度。这种新的三层结构表现出比双层结构更强的超导性。

研究人员还可以通过施加和改变外部电场的强度来调整此结构的超导性。通过调整三层结构，研究人员能够产生超强耦合超导性，这是一种在其他材料中很少看到的奇异类型的电行为。

巴勃罗·哈里略-埃雷罗说：“我们不清楚魔角双层石墨烯是否是特例，但现在我们知道它并非特例;在三层石墨烯的案例中，它有一个表亲。”“这种超可调超导体的发现将扭转电子学领域扩展到全新的方向，在量子信息和传感技术方面有潜在的应用前景。”

巴勃罗·哈里略-埃雷罗的合著者是麻省理工学院的Jeong Min Park和曹源（Yuan Cao音译），以及日本国家材料科学研究所（National Institute of Materials Science in Japan）的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

一个新的超级家族（A new super family）

在巴勃罗·哈里略-埃雷罗和他的同事们发现在扭曲的双层石墨烯中可以产生超导性后不久，理论家们提出同样的现象也可以在三层或更多层石墨烯中看到。

石墨烯薄片是石墨的原子薄层，完全由排列在蜂窝状晶格中的碳原子构成，就像最薄、最结实的铁丝网。理论家提出,如果三层石墨烯堆叠像三明治,中间层相对外层旋转1.56度,扭曲的配置将创造一种对称,激励其中的电子配对，而且电子流动无电阻，这是超导的标志。

“我们想，为什么不试一试，测试一下这个想法，”巴勃罗·哈里略-埃雷罗说。

Jeong Min Park和曹源设计了三层石墨烯结构，他们小心翼翼地将一块薄纱状的石墨烯薄片切成三部分，并按照理论家们预测的精确角度将每一部分叠放在一起。

他们制作了几个三层结构，每一层的直径只有几微米(大约是人类头发直径的1/100)，高度为3个原子高。

“我们的结构是一个纳米三明治，”巴勃罗·哈里略-埃雷罗说。

然后，该团队将电极连接到结构的两端，并让电流通过，同时测量材料中损耗或耗散的能量。

“我们没有看到能量耗散，这意味着它是一个超导体，”巴勃罗·哈里略-埃雷罗说，“我们必须归功于理论家们——他们的角度是正确的。”他补充说，该结构的超导性的确切原因——是否像理论学家所提出的那样，是由于其对称性，还是不是——还有待观察，研究人员计划在未来的实验中进行测试。

“就目前而言，我们只是有一种相关性，而不是因果关系，”他说，“现在，至少我们有了一条基于这种对称思想探索大量新型超导体的途径。”

“大爆炸”（ "The biggest bang"）

在探索新的三层结构时，研究小组发现他们可以通过两种方式控制其超导性。在他们之前的双层设计中，研究人员可以通过施加外部栅极电压来改变流过材料的电子数量来调整其超导性。当他们把栅极电压调高或调低时，他们测量到了材料停止耗散能量并变得超导的临界温度。通过这种方式，研究小组能够像调节晶体管一样调节双层石墨烯的超导性。

该团队使用同样的方法来调整三层石墨烯。他们还发现了控制材料超导性的第二种方法，这在双层石墨烯和其他扭曲结构中是不可能的。通过使用额外的电极，研究人员可以施加一个电场来改变结构三层之间的电子分布，而不改变结构的整体电子密度。

Jeong Min Park说：“这两个独立的球形凸起物（knobs）现在为我们提供了很多关于超导性出现的条件的信息，这可以提供对这种不寻常的超导状态形成的关键物理学的洞察。”

利用这两种方法来调整三层结构，研究小组在一系列条件下观察到了超导性，包括在相对较高的临界温度3 K，即使材料的电子密度很低。

相比之下，正在探索用于量子计算的超导体铝,它有更高的电子密度，而且只有在1 K左右才会变得超导。

巴勃罗·哈里略-埃雷罗说:“我们发现魔角三层石墨烯可以成为最强的耦合超导体，这意味着它可以在相对较高的温度下超导，因为它拥有的电子非常少。它能让你的投资得到最大程度的回报。”

研究人员计划制造三层以上的扭曲石墨烯结构，看看这种具有更高电子密度的结构是否能在更高的温度甚至接近室温下表现出超导性。

“如果我们能像现在这样制造出这些结构，在工业规模上，我们就能制造出用于量子计算、低温超导电子、光电探测器等的超导比特。但是，我们还没有弄清楚如何一次制造数十亿个这样的东西，”巴勃罗·哈里略-埃雷罗说说。

Jeong Min Park说：“我们的主要目标是找出强耦合超导的基本性质，三层石墨烯不仅是迄今为止发现的最强耦合超导体，也是最可调的。有了这种可调性，我们可以在相空间的任何地方真正探索超导性。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Specially oriented twisted bilayer graphene hosts topological electronic states

Abstract

Moiré superlattices^1,2 have recently emerged as a platform upon which correlated physics and superconductivity can be studied with unprecedented tunability^3,4,5,6. Although correlated effects have been observed in several other moiré systems^{7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17}, magic-angle twisted bilayer graphene remains the only one in which robust superconductivity has been reproducibly measured^4,5,6. Here we realize a moiré superconductor in magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG)¹⁸, which has better tunability of its electronic structure and superconducting properties than magic-angle twisted bilayer graphene. Measurements of the Hall effect and quantum oscillations as a function of density and electric field enable us to determine the tunable phase boundaries of the system in the normal metallic state. Zero-magnetic-field resistivity measurements reveal that the existence of superconductivity is intimately connected to the broken-symmetry phase that emerges from two carriers per moiré unit cell. We find that the superconducting phase is suppressed and bounded at the Van Hove singularities that partially surround the broken-symmetry phase, which is difficult to reconcile with weak-coupling Bardeen–Cooper–Schrieffer theory. Moreover, the extensive in situ tunability of our system allows us to reach the ultrastrong-coupling regime, characterized by a Ginzburg–Landau coherence length that reaches the average inter-particle distance, and very largeT_BKT/T_F values, in excess of 0.1 (where T_BKT and T_F are the Berezinskii–Kosterlitz–Thouless transition and Fermi temperatures, respectively). These observations suggest that MATTG can be electrically tuned close to the crossover to a two-dimensional Bose–Einstein condensate. Our results establish a family of tunable moiré superconductors that have the potential to revolutionize our fundamental understanding of and the applications for strongly coupled superconductivity.