日前，麻省理工学院巨龙、巴塞尔大学Dominik M. Zumbühl等人报告了菱面体四层和五层石墨烯的输运测量，展示了一系列洁净极限超导性。研究成就以“Family of magneticfield|boosted superconductors inrhombohedral graphene”为题发表在Nature上!
日前，麻省理工学院巨龙、巴塞尔大学Dominik M. Zumbühl等人报告了菱面体四层和五层石墨烯的输运测量，展示了一系列洁净极限超导性。研究成就以“Family of magneticfield|boosted superconductors inrhombohedral graphene”为题发表在Nature上!
研究背景
在很规超导体中，时间反演对称性可能破缺，致使超导性可以被磁场增强或诱导。菱面体多层石墨烯(RNG)具备优秀的材料水平和电场可调的强关联效应，是探索此类现象的理想平台。研究这类体系能够帮助理解关联电子物理，并为达成容错量子计算提供新渠道。
现在，RNG超导体的研究主要存在以下问题：
1、磁场增强型超导体对杂质极度敏锐
与传统的BCS超导体相比，这种很规超导体极易受材料缺点干扰，致使在块体材料中通过化学掺杂研究其演化变得困难且不靠谱。
2、厚层菱面体石墨烯的很规超导性研究空白
虽然三层及以下石墨烯已有研究，但更厚(N3)的体系能带更平坦且具备更丰富的对称性破缺母态，其在磁场下的响应尚未被充分探索。
研究成就
鉴于此，研究团队报告了菱面体四层和五层石墨烯的输运测量，展示了一系列洁净极限超导性。作者在五层石墨烯中发现了三种不相同种类型的磁场增强和磁场诱导的超导性。它们对于高达 8.5 特拉斯的面内磁场具备鲁棒性，超越保利极限数十倍。与仅显示面内磁场增强的伯纳尔双层石墨烯相比，五层石墨烯具备受垂直磁场与面内磁场增强的超导体。因为本质上更平坦的能带色散，它们也存在于更低的门电场中——这促进了它们的研究和进一步工程。除此之外，察看到邻近自旋轨道耦合(SOC)会产生多个新的超导体，而不会引入额外的无序效应。大家的工作在菱面体石墨烯中打造了一个新的磁场增强超导体家族。借助中等门电压的高可及性，这将为在极端洁净极限下通过界面工程达成非阿贝尔准粒子铺平道路。
技术策略：
1、在裸石墨烯中发现了洁净极限超导态
在裸四层和五层石墨烯中观测到SC1|SC3等超导地区，证实其处于ξ/l ≪ 1 的洁净极限，母态与环形费米面结构密切有关。
2、探讨了面内磁场对超导态的显著增强与诱导
面内磁场使SC2地区扩大并诱导了PVR高达68的SC4态，揭示了RNG中存在极其稳健的自旋极化很规超导机制。
3、证实了垂直磁场通过谷极化机制增强SC3
发现微弱垂直场通过转向自旋矢量诱导谷不平衡，从而增加态密度并强化配对，使SC3临界电流和转变温度显著提高。
4、展示了邻近SOC效应催生多元化超导家族
通过WSe2引入邻近SOC，在不牺牲材料水平的状况下诱导了SC3|SC7五个新超导态，很大丰富了超导相图的调控维度。
研究内容
1、空穴掺杂裸多层石墨烯中的超导性
研究团队第一通过输运测量剖析了处于极低温(7 mK)下的五层(R5G)和四层(R4G)裸石墨烯。在特定的电荷密度(n)和位移场(D)范围内，察看到了电阻消失的地区，并将它标注为SC1|SC3。通过对Shubnikov|de Haas振荡的傅里叶变换剖析，确定SC1发生在全金属相(具备环形费米面)与部分等旋极化相的边界处，这与之前在三层石墨烯中的发现一致。重要的是，通过计算相干长度(ξ≈200|300 nm)和平均自由程(l≈1|1.6 μm)，证实这类超导态均处于洁净极限(ξ/l ≪ 1)，其正常的平方电阻极低。这为后续研究磁场对这类高度敏锐的很规超导态的增强效应奠定了物质基础。
图1. 空穴掺杂裸露RNG中的SC
2、面内磁场对SC2的增强与对SC4的诱导
当施加8 T的面内磁场(B∥)时，R5G的超导相图发生了显著变化：原有些SC2地区在(n, D)空间内显著扩张，转变温度Tc升高，临界电流Ic增加，表明SC2受面内磁场增强。费米面剖析显示SC2起来自于一个谷不极化的环形半金属母态。更关键的是，在高面内磁场下察看到一个全新的低电阻条带地区SC4，该态在零磁场下完全没有，是典型的磁场诱导超导性。即便使用守旧的转变温度估计(70 mK)，SC4在最高可用场下的保利极限违反率(PVR)也高达约68，这在已知超导体中处于极高水平，强烈暗示了其自旋极化的很规配对本质。
图2. R5G中的SC2和SC4，分别由B增强和诱导
3、垂直磁场对SC3的异常增强效应
SC3展示了更为奇异的物理特质。它在零磁场下即存在，其母态同样为谷不极化的环形半金属，PVR超越34。不同于大部分超导领会被垂直磁场(B⊥)抑制，SC3在微弱的B⊥(约1.8 mT)下显示出地区扩张、临界电流翻倍与转变温度提高。研究者提出这来自于石墨烯本征SOC与Hund耦合的协同用途：微小的垂直磁场将自旋矢量从易面引向z轴，诱导产生谷不平衡并增加其中一个谷的态密度，从而强化了主导的内谷配对。实验进一步证实，当施加可比的面内磁场将自旋拉回易面时，这种增强效应便会消失，完美支持了该理论模型。
图3. R5G中的SC3由B⊥增强
4、自旋轨道耦合对超导态的增殖用途
最后，研究分析了邻近效应付超导性的调控。在R4G/WSe2器件中，因为引入了较强的自旋轨道耦合，原本简单的超导相图变得异常丰富，新出现了五个超导地区(SC3|SC7)。虽然原有些SC1略有减弱且SC2消失，但SOC的引入扩散了具备不同等旋对称性的相界，从而催生了更多超导态。极其关键的是，这种界面工程维持了石墨烯原有些极高洁净度，空穴密度的平方电阻与裸石墨烯相当。这种在维持优质晶体结构的同时，通过外部环境编程超导相图的能力，为将来在横向结中结合超导与拓扑量子反常霍尔态、达成非阿贝尔任意子提供了可行的路径。
图4. R4G中SC因邻近SOC效应而增殖
结论与展望
这项研究在菱面体四层和五层石墨烯中打造了一个全新的磁场增强型超导体家族。实验不只揭示了创纪录的保利极限违反率，还初次观测到垂直磁场对超导性的增强现象，并提出了基于自旋矢量转向和谷极化的物理讲解。除此之外，通过邻近效应引入的自旋轨道耦合在维持材料极高洁净度的同时达成了超导态的规模化增殖。这类发现为在全石墨烯平台上研究很规超导机理及开发基于非阿贝尔准粒子的拓扑量子比特提供了理想且多功能的物理平台。
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