Nature：又见魔角石墨烯

2023年10月10日下午4:55 • 顶刊解读

正如Bardeen-Coopero-Schrieffer (BCS)理论所描述的那样，超导电性和相关绝缘体，在魔角双层双层石墨烯(MATBG)中的出现，提出了一种有趣的可能性，即其配对机制有别于传统超导体。然而，最近的研究表明，即使库仑相互作用被部分屏蔽，超导性仍然存在。这表明MATBG中的配对在本质上可能是传统的，是其平坦带的大的态密度(DOS)的结果。

在此，来自美国普林斯顿大学的Ali Yazdani等研究者，将隧道和Andreev反射光谱与扫描隧道显微镜(STM)相结合，在MATBG中观察非常规超导的几个关键实验特征。相关论文以题为“Evidence for unconventional superconductivity in twisted bilayer graphene”于2021年10月20日发表在Nature上。

常规超导体中准粒子DOS、能隙和电子-声子耦合的隧穿测量，为BCS超导理论提供了关键的实验证据。对相关超导体的类似测量，尤其是STM和角度分辨光谱学，表明它们的性质与BCS超导体的性质有质的不同。高T_c超导体铜酸盐，而过掺杂状态下的隧穿谱可以通过类bcs模型的DOS (d波阶参数)捕获，在还原掺杂时，尚待理解的赝隙现象，导致了铜酸盐的光谱特性与这幅图严重偏离。

在MATBG平坦带的部分填充处，观察到极低载流子密度的超导性。尽管这些特性表明了一种非常规的配对机制，但对于BCS范式之外的任何机制的结论性证据都是缺乏的。

在此，研究者使用密度调谐扫描隧道和点接触光谱(DT-STS, DT-PCS)来显示MATBG的超导相，特别是当空穴掺杂其平价带时，与非常规超导体具有许多显著的特征。研究者的实验表明，在低温下有一个v形的间隙，在高温和磁场下有一个不寻常的伪间隙前驱相，由此产生了相参超导性。v型隙的低能区支持超导隙函数中节点的各向异性配对机制，这是一些理论研究的预期。

赝隙态，可能意味着没有相相干的配对或在T_c和B_c以上形成二次相。当MATBG与hBN衬底对齐时，赝能隙和超导性都不存在，这表明未对齐MATBG的结构特征和/或C₂T对称是稳定基态所必需的。

结果表明，在过渡温度T_c以下的隧穿谱与传统的s波超导体的隧穿谱不一致，而与具有各向异性配对机制的节点超导体的隧穿谱相似。研究者观察到隧道间隙Δ_T与Andreev反射光谱提取的间隙Δ_AR (2Δ_AR/k_BT_c~6)之间存在很大的差异，远远超过平均场BCS比(2Δ_T/k_BT_c~25)。即使超导性被抑制，隧穿间隙仍然存在，这表明它是从伪间隙阶段出现的。此外，当MATBG与六方氮化硼(hBN)排列时，赝隙和超导性均不存在。这些发现和本文报道的其他观察结果，为MATBG中超导的非BCS机制提供了优势证据。

Nature：又见魔角石墨烯

图1. 超导MATBG隧穿间隙的扫描隧穿光谱研究

Nature：又见魔角石墨烯

图2. MATBG的点接触光谱和Andreev反射

图3. 隧道和Andreev反射谱曲线拟合

图4. 空穴掺杂MATBG的赝隙状态和相图

图5. DT-STS和DT-PCS在非超导MATBG上对准hBN

总体来说，这里提出的实验，为在这种新型电子材料中构建配对机制模型提供了清晰的约束条件，因为这种材料超出了BCS范式。

据了解，这已经Ali Yazdani教授在魔角双层石墨烯中的第五篇正刊，此外还包括3篇Nature和1篇Science，如下图：

魔角双层石墨烯，已经成了宝藏一样的存在，科学家们是这个领域中不断地抢占高地，你方唱罢我登场，你来我往，好不热闹。当然，这其中，曹原(手握8篇Nature和1篇Science)和其导师导师Pablo Jarillo-Herrero肯定是这个领域的领头羊和开创者，他们为凝聚态物理打开了一扇新大门。

现在，打开Nature主页的搜索框，搜索“twisted bilayer graphene”，与之相关的“Research & Reviews”就高达58个。

这其中，Ali Yazdani教授肯定是占有一席之地的。

文献信息

Oh, M., Nuckolls, K.P., Wong, D. et al. Evidence for unconventional superconductivity in twisted bilayer graphene. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04121-x

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04121-x#citeas

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Nature：又见魔角石墨烯

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