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在扭曲的三层石墨烯中观察到异常的超导性

已有 1913 次阅读 2022-7-10 21:46 |个人分类:新观察|系统分类:博客资讯

在扭曲的三层石墨烯中观察到异常的超导性

诸平

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The surface of a trilayer of graphene, as imaged by a scanning tunneling microscope. Due to the twist of a second layer, trilayer height is modulated with a period of about 9 nanometers. Credit: California Institute of Technology

据美国加州理工学院(California Institute of Technology简称Caltech202278日提供的消息,该校的研究人员在扭曲的三层石墨烯中观察到异常超导性(Unusual superconductivity observed in twisted trilayer graphene)。

在所谓的“魔角扭曲石墨烯(magic-angle twisted graphene)”中,只需按下一个开关就能开启或关闭超导性,这使得加州理工学院(Caltech)的工程师们能够观察到一种不寻常的现象,这可能会为超导性的研究提供新的线索。相关研究结果于2022615日已经在《自然》(Nature)杂志网站发表——Hyunjin Kim, Youngjoon Choi, Cyprian Lewandowski, Alex Thomson, Yiran Zhang, Robert Polski, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jason Alicea, Stevan Nadj-Perge. Evidence for unconventional superconductivity in twisted trilayer graphene. Nature, 2022, 606: 494–500. DOI: 10.1038/s41586-022-04715-z. Published: 15 June 2022. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04715-z

参与此项研究的除了来自Caltech的研究人员之外,还有来自美国加州大学戴维斯分校(University of California, Davis, CA, USA)和日本国立材料科学研究所(National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan)的研究人员。这项研究由Caltech应用物理和材料科学助理教授Stevan Nadj-Perge领导。

神奇角度扭曲石墨烯于2018年首次被发现,它是由两到三层石墨烯(一种碳的形式,由单层原子组成,呈蜂窝状晶格模式)层层叠放而成,每层石墨烯与其下一层的扭曲度精确为1.05度。由此产生的双层或三层具有不同寻常的电子特性:例如,它可以制成绝缘体或超导体,这取决于加入多少电子(electrons)。

超导体是一种特殊的电子状态的材料,在这种状态下,电子可以自由地在材料中流动,没有阻力,这意味着电流在通过它们时没有任何能量损失为热。这种超高效的电力传输在计算、电子和其他领域有着无限的潜在应用。

然而,超导的优势在于,在大多数材料中,它发生在极低的温度下,通常只比绝对零度(-273.15)高几度。在这样的温度下,电子形成电子对,与单个电子相比,它们的行为方式完全不同,并凝结成一种量子力学状态,允许电子对流动而不被分散。

超导性(Superconductivity)在一个多世纪前首次被发现,但科学家仍然不完全了解某些材料电子对形成背后的精确机制。在传统的超导体(conventional superconductors)中,如金属铝,电子之间的吸引导致电子对的形成是由于电子与材料晶格的相互作用。这些材料的行为是用巴丁·库珀·施里弗(Bardeen–Cooper–Schrieffer简称BCS)理论来描述的,该理论以约翰·巴丁(John Bardeen)、利恩·库珀(Leon Cooper)和约翰·罗伯特·施里弗(John Robert Schrieffer)的名字命名,他们因该理论的发展而共同获得了1972年的诺贝尔物理学奖(The Nobel Prize in Physics 1972)。

在研究石墨烯的魔角扭曲三层时,Stevan Nadj-Perge和他的同事们发现,这种材料的超导性表现出了一些用BSC理论无法描述的非常不寻常的特性,这使得它很可能也是一种非常规的超导体。

他们测量了所谓的超导间隙的演变过程,通过打开或关闭电场的开关将电子从三层膜中移除。超导间隙是一种特性,它描述了在超导体中添加或移除单个电子的难度。因为超导体中的电子想要成对,所以需要一定的能量来打破这些电子对。然而,相对于晶格,在不同方向上移动的电子对的能量是不同的。因此,“间隙”有一个特定的形状,这个形状是由特定能量打破配对的可能性决定的。

上述《自然》杂志论文的通讯作者Stevan Nadj-Perge:“虽然超导体已经存在了很长时间,但扭曲的双层石墨烯和三层石墨烯的一个显著新特征是,这些材料的超导性可以通过对附近电极施加电压来打开。电场有效地增加或消除额外的电子。它的工作原理与传统晶体管控制电流的原理非常相似,这让我们得以探索其他材料无法做到的超导性。”

该团队证实,在扭曲的三层石墨烯膜中,存在两种具有不同形状的超导间隙分布的超导体系。虽然其中一种状态可能可以用某种程度上类似于BCS的理论来解释,但两种状态的存在表明,在超导相内可能会发生额外的转变。这项观测,以及在不同温度和磁场下的测量,指出了扭曲的三层石墨烯中超导的非常规性质。

Stevan Nadj-Perge团队的新见解为扭曲石墨烯多层超导理论的未来提供了重要线索。Stevan Nadj-Perge指出,似乎更多的层使超导更加坚固,同时保持高度可调,这一特性打开了在超导设备中使用扭曲三层的各种可能性,可能有一天会用于量子科学,也许是量子信息处理。

“除了它对我们理解超导性的基本意义之外,值得注意的是,添加额外的石墨烯层使研究超导特性变得更容易。这最终使我们的发现成为可能,”Stevan Nadj-Perge说。

这项工作主要由美国海军研究办公室 (Office of Naval Research: grant number N142112635)、美国国家科学基金(National Science Foundation: grant number DMR-1753306)、以及美国陆军研究办公室(Army Research Office under grant award W911NF17-1-0323)支持。纳米制造的研究部分由美国能源部DOE-QIS计划(Department of Energy DOE-QIS programme: DE-SC0019166)和美国国家科学基金会(National Science Foundation: grant number DMR-2005129)支持。另外还得到了斯隆基金会(Sloan Foundation)、量子信息与物质研究所(Institute for Quantum Information and Matter)、戈登和贝蒂·摩尔基金会(Gordon and Betty Moore Foundation through grants GBMF1250GBMF8682)、州理工学院沃尔特·伯克理论物理研究所(Walter Burke Institute for Theoretical Physics at Caltech)以及Kwanjeong奖学金(Kwanjeong fellowship)的支持。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Specially oriented twisted bilayer graphene hosts topological electronic states

Abstract

Magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG) has emerged as a moiré material that exhibits strong electronic correlations and unconventional superconductivity1,2. However, local spectroscopic studies of this system are still lacking. Here we perform high-resolution scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of MATTG that reveal extensive regions of atomic reconstruction favouring mirror-symmetric stacking. In these regions, we observe symmetry-breaking electronic transitions and doping-dependent band-structure deformations similar to those in magic-angle bilayers, as expected theoretically given the commonality of flat bands3,4. Most notably in a density window spanning two to three holes per moiré unit cell, the spectroscopic signatures of superconductivity are manifest as pronounced dips in the tunnelling conductance at the Fermi level accompanied by coherence peaks that become gradually suppressed at elevated temperatures and magnetic fields. The observed evolution of the conductance with doping is consistent with a gate-tunable transition from a gapped superconductor to a nodal superconductor, which is theoretically compatible with a sharp transition from a Bardeen–Cooper–Schrieffer superconductor to a Bose–Einstein-condensation superconductor with a nodal order parameter. Within this doping window, we also detect peak–dip–hump structures that suggest that superconductivity is driven by strong coupling to bosonic modes of MATTG. Our results will enable further understanding of superconductivity and correlated states in graphene-based moiré structures beyond twisted bilayers5.



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2 郑永军 王福明

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