永无止境!手握7篇Nature/1篇Science的他,再获1篇Nature


【背景介绍】

量子材料的最新进展是通过堆叠具有扭曲角或晶格失配的二维(2D)材料来构建人造的moiré超晶格。在某些moiré超晶格中,平带的出现会引起相关绝缘体、铁磁相等现象,特别是超导性。最近在魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)以及魔角扭曲三层石墨烯(MATTG)中发现了强大的超导性。此外,MATTG表现出独特的电位移场可调性,其超导状态可以调整到超强耦合状态,使得MATTG成为研究moiré超导性质的有吸引力的平台。然而,关于超导性的一个基本问题是其非常规配对对称性,即空间对称性和自旋配置,仍有待实验证明。

【成果简介】

在2021年7月22日,美国麻省理工学院曹原(一作兼通讯作者)、Pablo Jarillo-Herrero和Jeong Min Park(共同通讯作者)等人报道了魔角扭曲三层石墨烯(MATTG)在面内磁场超过10 T时表现出超导性,极大的违反了传统自旋单线态超导体的泡利(Pauli)极限,超过了2-3倍。对于一个预计不会有强自旋轨道耦合的系统,这是一个意想不到的观察结果。在整个超导相位上观察到违反了泡利极限,表明MATTG与具有大超导幅度配对的可能的赝隙相位无关。值得注意的是,作者在大磁场中观察到重入超导性,它存在于较窄的载流子密度和位移场范围内。这些发现表明,MATTG中的超导性可能是由一种导致非自旋单线态Cooper对的机制所驱动,并且外部磁场会导致具有潜在不同顺序参数的相之间的转变。该研究结果证明了moiré超导的丰富性,并且可能有助于设计下一代奇异量子物质。研究成果以题目为“Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene”发表在国际顶级期刊Nature上。

【图文速递】

图一、高面内磁场下MATTG的超导性
(a)实验系统示意图;

(b, d)T=300 mK时,B‖=0 T和B‖=10 T时的纵向电阻Rxx

(c)在ν=-2.4、D/ε0=-0.44 V nm-1和T=300 mK、不同B‖值时电压-电流(Vxx-I)曲线;

(e)空穴掺杂侧的超导性随B‖的演变。

图二、MATTG中大的泡利极限违反
(a)超导圆顶的演变作为B‖的函数;

(b)在ν=-2.28处的B‖-T相图;

(c)以1 T的间距对应于(b)的线切割;

(d)对于ν=-3时,与(b)中结果一致;

(e)对于10%、20%和30%的电阻阈值,作为ν的函数提取的PVR。

图三、凹角超导
(a)Rxx绘制为B‖和T的函数,在B‖范围5-10 T内;

(b-c)Rxx的线切割在不同的B‖值下对T和放大视图绘制,显示了Rxx-T曲线在BKT转变温度附近的非单调行为;

(d)差分电阻dVxx/dI绘制为B‖的函数,I显示出与温度相关的类似趋势;

(e-f)dVxx/dI的线切割对I和不同B值的放大视图,显示出与(b-c)中类似的非单调行为。

图四、MATTG中超导相之间的场致跃迁
(a)在最佳掺杂ν=-2.4时,电阻作为D和B‖的函数;

(b)在D/ε0=-0.24 V nm-1时作为ν和B‖的函数的电阻;

(c)Rxx对B‖的图的温度依赖性,在(a)和(b)中用白色虚线标记的D和ν值处;

(d)B‖-T相图随D变化的演变;

(e)|D|-B-T空间中超导相相图的三维(3D)示意图。

【小结】

综上所述,作者在整个超导相上观察到了违反泡利极限现象,表明魔角扭曲三层石墨烯(MATTG)与可能存在的具有大超导振幅配对的伪间隙相无关。这些发现表明,MATTG的超导性很可能是由一种导致非自旋单重态Cooper对的机制驱动,而且外部磁场可能会导致具有不同有序参数的相之间的相变。该研究结果展示了Moiré超导性的丰富性,并且有助于引导设计下一代奇异量子物质。此外,为确定MATTG不同超导相的完全配对对称性,还需要进一步的研究。

文献链接:Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene. Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03685-y.

本文由CQR编译。

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