图1 样品结构示意图和光学显微镜照片。

图2 实验揭示的双层石墨烯与二硒化钨异质结系统的相图，以及观察到的空穴和电子掺杂情况的超导态。

上海交大的实验团队通过优化样品制备方法成功合成了高质量的双层石墨烯与二硒化钨异质结样品。他们能够施加高达1.6 V/nm的垂直位移电场，并开展了极低温量子输运测量。研究揭示了在这种系统中，空穴掺杂的超导性能如何随着电场和载流子浓度的变化而变化，呈现出完整的相图。更为重要的是，他们在实验中首次观察到了在电子掺杂条件下的超导现象，这在单晶石墨烯中尚属首次。他们发现，通过调节外加的垂直位移电场，可以有效地调控空穴端和电子端的超导态强度。实验测量显示，空穴掺杂条件下的最高超导转变温度约为450 mK，而在电子掺杂条件下则为约300 mK，这也创下了目前单晶石墨烯系统中的最高超导转变温度记录。

图3 在外加高垂直位移电场下，Bernal堆叠双层石墨烯电子端量子振荡及费米面分析。

研究团队通过测量高质量石墨烯样品的纵向电阻随垂直磁场的量子振荡（即SdH效应），揭示了有关能带费米面的重要信息，这对于理解电子关联相互作用导致的自发对称性破缺态和超导配对机制至关重要。研究详细测量了在不同位移电场下，低磁场区间的空穴和电子掺杂时的SdH振荡。结果显示，在较高位移电场下，双层石墨烯无论是空穴掺杂还是电子掺杂均表现出一系列自发对称性破缺态，这些态与能带的范霍夫奇点及电子-电子相互作用相关联。特别是，当施加电场使得双层石墨烯中的电子或空穴靠近二硒化钨层时，SdH振荡的频率发生显著变化。这表明电子和空穴在接近二硒化钨层时受到自旋轨道耦合的影响，导致电子态的简并度和费米面结构发生变化。实验结果显示，空穴和电子掺杂的超导正常态对应于部分极化的费米面情况。

研究还对比了双层石墨烯中电子掺杂超导和空穴掺杂超导的性质。令人惊讶的是，在选定的超导转变温度和临界垂直磁场下，尽管超导性质相似，空穴掺杂超导和电子掺杂超导在平行磁场依赖性上表现出截然不同的行为。具体来说，空穴掺杂的超导态违反了泡利顺磁极限，而电子掺杂的超导性则始终遵循该极限。先前的研究认为，二硒化钨对石墨烯系统超导性的增强可通过近邻效应引入的Ising自旋轨道耦合相互作用来解释，而超过泡利顺磁极限的空穴掺杂超导则是Ising自旋轨道耦合相互作用的直接结果。尽管本研究通过费米面分析在导带中观测到明显的Ising自旋-轨道耦合相互作用，但电子掺杂的超导电性却未违反泡利顺磁极限。这一发现表明，二硒化钨对双层石墨烯中超导性的增强效果可能不仅仅来自于Ising自旋轨道耦合相互作用引入的近邻效应。

这项研究突出了在高位移电场条件下双层石墨烯系统中涌现的多样化量子物态，这些现象和性质还有许多值得进一步的理论和实验探索。研究不仅为理解单晶石墨烯甚至魔角石墨烯的超导机制提供了重要的实验数据和限制条件，同时为基于稳定结构的单晶石墨烯设计和制造新型超导量子器件奠定了坚实的基础。

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