今日Science：伯纳双层石墨烯的同位旋磁性和自旋极化超导性

【研究背景】

在传统的超导体中，自旋相反的电子之间会发生库珀配对。自旋三重态超导体在自然界是罕见的。这种稀缺性至少部分可以追溯到安德森定理的不适用性。因此，实现自旋三重态超导性对材料质量有严格的限制。实验上，三重态超导电性最显著的表现之一是对外加磁场的恢复力，这可能超过塞曼能量与超导能隙的比较所设定的极限。观察到的违反这一限制的候选自旋三重态超导体的突出例子包括铀基化合物。最近，石墨烯基二维材料已经成为超导电性的平台。特别是，两种不同的石墨烯三层膜—一种旋转断裂，一种亚稳态菱形堆积有序—显示出超导状态持续超过顺磁极限，这暗示了自旋三重态序参数。但是，这两种材料都不代表结构基态。旋转断层构造通常不稳定，限制了样品的均匀性，从而限制了再现性。同时，菱面体堆叠顺序仅为亚稳态，允许产生均匀的结构，但在实际生产中成本高昂。这些缺点阻碍了系统地改变实验参数，以及利用这些材料中可用的门调谐相位阵列构建更复杂的器件的可能。

【成果简介】

近日，美国加州大学圣芭芭拉分校Andrea F. Young团队报道了在伯纳尔双层石墨烯中，观察到了自旋极化的超导电性，当掺杂到较大外加垂直电场产生的鞍点Van Hove奇点时。在由自旋和动量空间谷自由度组合所定义的同位旋空间内，观察到了电子相之间的静电门调谐跃迁级联，这是通过它们的极化来区分的。尽管所有这些相在零磁场下都是金属性的，但可观察到在平行于二维片施加的有限B‖≈150mT下向超导态的转变。超导电性发生在对称破缺转变附近，并且仅存在于顺磁超导体的B‖极限之上，观察到的转变温度Tc≈30mK，与自旋三重态序参量一致。因此，在石墨烯系统中（如伯纳尔双层石墨烯、菱形三层石墨烯和莫特材料），在其各自超导机制中，其费米面拓扑结构的差异表明，费米面细节不是超导机制的核心。相反，接近同位旋有序相，才是莫特相和晶体石墨烯超导体本征特征。关于解决二维材料超导机制，当前工作最大影响是实用性：伯纳尔双层石墨烯稳定性，允许以高产量和可重复性制造异常高质量系统。这将允许探测配对对称性，例如在混合超导环中的相位敏感测量，这可以直接证明或反驳在本工作中推断的自旋三重态性质。此外，这里和菱形三层石墨烯中探索的范霍夫奇点类型，对所有石墨烯多层都是通用的，因此，预计场效应控制的超导电性，在具有足够低无序度的石墨烯同素异形体中是普遍现象。相关研究成果以“Isospin magnetism and spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene”为题，发表在Science上。

【图文导读】

图一、伯纳双层石墨烯中同位旋对称相断裂

图二、磁场诱导超导

图三、超导态的费米学

图四、磁场诱导相变

【全文总结】

目前的结果对石墨烯系统中的超导性的任何通用理论引入了重要的限制—假设存在这种理论。特别地，在其各自超导规则中BBG，RTG和Moiré系统之间的费米表面拓扑的差异表明Fermi表面细节不是超导机构的核心。相反，邻近同位旋有序相是Moiré和晶体石墨烯超导体的通用特征，暗示波动介导或其他纯粹的排斥机制。在这项工作中，研究人员认为实验还没有排除声子介导的机制，在这种机制中，泛型配对只会在较窄的密度范围内和特定的同位旋有序相中导致可观察到的超导T_C。关于解决超导电性的机制，当前工作的最大影响是实用的：BBG的稳定性允许以高产量和再现性制造出非常高质量的系统。这将允许探测配对对称性，如混合超导环中的相敏测量，这可能直接证明或反驳本工作中推断的自旋三重态性质。此外，本文和RTG中探讨的范霍夫奇点类型对所有石墨烯多层膜都是通用的，因此研究人员预计场效应控制的超导性将是石墨烯同素异形体中的普遍现象，无序度足够低。

文献链接：Isospin magnetism and spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene(Science2021, DOI: 10.1126/science.abm8386)

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