哈佛科学家用三层石墨烯观察更稳健的超导性

诸平

Artist rendition of twisted trilayer graphene. Credit: Polina Shmatkova & Margarita Davydova

之前曾经写过“MIT物理学家在扭曲石墨烯“纳米三明治”中创造可调超导性（2021-02-02） ”博文，今天再来介绍哈佛大学（Harvard University）的最新研究成果。 

据美国哈佛大学（Harvard University）2021年2月4日提供的消息，该大学研究人员使用三层石墨烯（trilayer graphene）观察更稳健的超导性。相关研究结果已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Zeyu Hao, A. M. Zimmerman, Patrick Ledwith, Eslam Khalaf, Danial Haie Najafabadi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ashvin Vishwanath, Philip Kim. Electric field tunable superconductivity in alternating twist magic-angle trilayer graphene. Science,  04 Feb 2021: eabg0399. DOI: 10.1126/science.abg0399

2018年，物理学世界最耀眼的发现，莫过于当一个超薄的碳层（称为石墨烯）以``魔角''堆叠并扭曲时，这种新的双层结构就变成了超导体，从而允许电流在无电阻情况下流动，即无需消耗能源。现在，从字面上看，哈佛大学的科学家通过添加第三层并旋转它来开发这种超导系统，为石墨烯基超导性的持续发展打开了大门。

发表在《科学》杂志上的新论文指出，有朝一日可能会帮助超导体在更高的温度甚至接近室温下工作。这些超导体被认为是凝聚态物理的圣杯，因为据说它们在许多领域带来了巨大的技术革命，包括电力传输、运输和量子计算。当今的大多数超导体，包括双层石墨烯结构，都只能在超冷温度下工作。

上述论文的共同第一作者、也是在哈佛大学物理学家菲利普·金（Philip Kim）实验室工作的博士后研究员安德鲁·齐默尔曼（Andrew Zimmerman）表示：“扭曲石墨烯中的超导性为物理学家提供了一个实验可控且理论上可达的模型系统，他们可以利用该系统的特性来解码高温超导的秘密。”

石墨烯的厚度充其量就只有一个原子厚，它是由一层碳原子组成的，但是比钢强200倍，比纸还要极其柔软和轻巧。几乎一直以来，它都是热和电流的良导体，但是众所周知，它很难处理。自美国麻省理工学院（MIT）物理学家巴勃罗·哈里略-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）和他的团队在2018年通过实验生产石墨烯超导体以来，他就率先开拓了“扭转电子学（twistronics）”领域，该实验正在进行中。通过以1.1度的魔角扭转它。

哈佛大学的科学家报告成功地堆叠了三层石墨烯，然后以这种神奇的角度扭转它们，以产生三层结构，该结构不仅具有超导性，而且具有更强的鲁棒性，比大多数双叠堆石墨烯的超导临界温度更高。新的和改进的系统还对外部施加的电场敏感，这使他们可以通过调节电场强度来调节超导水平。

此研究的另一第一作者、哈佛大学文理学研究生院的博士生、也是菲利普·金小组的成员郝泽玉（Zeyu Hao音译）表示：“它使我们能够以新的维度观察超导体，并为我们提供了驱动超导机制的重要线索。”

这些机制之一确实使理论家兴奋。三层石墨烯体系已显示出其超导性是由于电子之间的强相互作用而不是弱相互作用。如果这是真的，那么它不仅可以为高温超导铺平道路，而且还可以在量子计算中应用。

在哈佛大学物理学教授阿什温·维什瓦纳特（Ashvin Vishwanath）实验室的博士后，也是上述论文的合著者伊斯兰·哈拉夫（Eslam Khalaf）说：“在大多数传统的超导体中，电子以高速移动，有时会交叉并相互影响。在这种情况下，我们说它们的相互作用很弱。虽然弱相互作用的超导体很脆，当加热到几个开尔文温度时会失去其超导性，而强耦合超导体则更具韧性，但了解却很少。对强耦合超导体的理论理解有助于甚至在室温下也能实现高温超导体的目标。”研究人员计划在进一步研究中继续探索这种不同寻常的超导性。

菲利普·金说：“我们了解得越多，就越有可能提高超导转变温度。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Engineering moiré superlattices by twisting layers in van der Waals (vdW) heterostructures has uncovered a wide array of quantum phenomena. Here, we construct a vdW heterostructure consisting of three graphene layers stacked with alternating twist angles ±θ. At the average twist angle θ ~ 1.56°, a theoretically predicted magic angle for the formation of flat electron bands, we observed displacement field tunable superconductivity with a maximum critical temperature of 2.1 K. By tuning the doping level and displacement field, we find that superconducting regimes occur in conjunction with flavor polarization of moiré bands and are bounded by a van Hove singularity (vHS) at high displacement fields. Our findings display inconsistencies with a weak coupling description, suggesting that the observed moiré superconductivity has an unconventional nature.