最新背靠背Nature：超越NS大户魔角石墨烯的材料？

【背景介绍】

在二维材料器件中通过电场效应获得超导性是纳米电子学孜孜以求的中心目标。近年来频繁在Nature、Science上发文的曹原，其对石墨烯摩尔异质结构研究所取得的一大突破正是在魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，从而可实现绝缘体到超导体的转变。然而，这类石墨烯异质结构目前面临着一个重大的难题，那就是特定的旋转角度使得整个材料的制备非常困难，所得材料也不能稳定存在，这些都为材料的进一步发展带来了极大的挑战。

【成果简介】

在这样的研究背景下，美国加州大学圣芭芭拉分校的Andrea F. Young（通讯作者）课题组近期在同一天以“unedited manuscript”的形式于Nature上背靠背发表了两篇关于菱方三层石墨烯的最新研究文章，这些研究发现菱方石墨烯具有非凡的超导性和铁磁性，大大开拓了石墨烯材料应用可能。两篇论文的第一作者Haoxin Zhou，其中一篇文章的共同第一作者为Tian Xie，2021年9月1日，研究成果分别以题为“Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene”和“Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene”发布在Nature上。

【发现菱方石墨烯的超导性】

由于费米液体弱相互作用的不稳定性，大多数金属在足够低的温度下会出现超导性质。然而，也有一些金属反而会变得极具磁性。在这些系统中，时间反演对称被自发打破，抑制典型的超导配对（superconducting pairing）行为。这一磁性和超导性之间的竞争现象可以从态密度的角度进行理解：高态密度能够同时支持超导性和磁性，其中基态是由有效的吸引相互作用和电子间库伦排斥的相对强度决定。而在另外一些情境中，例如重费米子化合物中，磁性和超导性则可以相互协同合作。在这一条件下，磁性扰动能够介导电子之间的吸引相互作用，使得超导性有配对对称性。

菱方三层石墨烯中的超导性

因此，在第一项工作中，作者在同位旋对称性破缺转变（isospin symmetry breaking transition）的尖端（cusp）发现，菱方三层石墨烯（RTG）具有超导性。RTG是一种结构亚稳态的碳同素异形体，而超导发生在两个不同的栅极调谐区（SC1 和 SC2），符合由平均自由程和超导相干长度之比的定义。通过量子振荡对正常状态费米表面的映射表明，两个超导体都从环形费米海中出现。尽管SC1 从顺磁正常状态出现，而 SC2 从自旋极化、谷非极化的半金属状态出现，并且打破了面内磁场的泡利极限至少一个数量级。作者依照多种机制包括声子介导配对等，对实验结果进行讨论，以此来检验这类关于超导性的竞争性理论模型，同时也实现了一类基于相关电子现象和弹道电子输运的新型场效应受控电子器件。

【发现菱方石墨烯的铁磁性】

在金属中，当库伦排斥产生的势能大于电子动能时，电子相互作用效应就会占据主导地位。这一条件被Stoner判据利用，以此为过渡金属中的铁磁性提供了基本定型依据。在这一依据中，部分填充窄带从高度定位的d-轨道中出现，可在费米能级上贡献巨大的态密度。然而，铁磁性定量模型却高度依赖交换和关联效应的近似处理，难以在实验中进行标准测定。而模型系统诸如二维电子气可以通过提供受控良好的区域，基于更加精妙的数值计算方法和实验来为理论建立基准。从这个层面来讲，具有低无序性、单粒子能带结构和高原位控制度（电/磁场）石墨烯范德华异质结构展现出了巨大的潜力。

导带中的斯通纳铁磁性

因此，在第二项工作中，作者聚焦在以“ABC”方式菱方堆叠石墨烯三层上，发现菱方三层石墨烯中的范霍夫奇点能够驱动电子系统自发铁磁极化转变成一个或多个自旋/谷模式。利用容量和输运测量，作者观测了一系列相间的密度/电子取代场调谐转变，在这些相中量子震荡具有4倍、2倍或者1倍简并度，分别与自旋/谷简并正常态金属、自旋极化“半金属”以及自旋/谷极化“四分之一金属”。对于电子掺杂来说，突出数据被包含了谷-各向异性相互作用的现象学斯通纳模型所捕捉；而对于空穴填充来说，作者在费米表面拓扑上观察到了更加丰富的相图及其转变。最后，作者利用旋转对齐六方氮化硼衬底引入了摩尔超晶格，并展示了菱方石墨烯作为多体理论可控测试的理想平台的潜力，揭示了摩尔材料中的磁性。

文献链接一：Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene,Nature,2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03926-0.

文献链接二：Half and quarter metals in rhombohedral trilayer graphene,Nature,2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03938-w.