上海交通大学/武汉大学,Nature!
米测 MeLab 纳米人 2024-07-01
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特别说明:本文由米测技术中心原创撰写,旨在分享相关科研知识。因学识有限,难免有所疏漏和错误,请读者批判性阅读,也恳请大方之家批评指正。
原创丨米测MeLab
编辑丨风云

研究背景
基于石墨烯的高质量二维电子系统已成为研究超导性的高度可调平台。具体而言,在电子和空穴掺杂的扭曲石墨烯莫尔系统中都观察到了超导性。尽管石墨烯中的固有自旋轨道耦合 (SOC) 效应可以忽略不计,但可以通过邻近效应诱导 SOC,即通过将石墨烯与过渡金属二硫属化物层直接接触。实验表明,这种范德华 SOC 邻近法是设计石墨烯基系统物理性质的重要调节旋钮。

关键问题
然而,石墨烯超导性的研究仍存在以下问题:
1、晶体石墨烯系统中超导性的发现仍较少
在晶体石墨烯系统中,迄今为止仅在空穴掺杂的菱面体三层石墨烯 (RTG) 和空穴掺杂的 Bernal 双层石墨烯 (BBG) 中观察到了超导性。
2、石墨烯莫尔系统和晶体石墨烯系统中超导的具体配对机制仍不清晰
石墨烯莫尔系统和晶体石墨烯系统中超导的具体配对机制仍然是一个正在进行的研究课题。在晶体石墨烯中,虽然在导带和价带中都观察到了相互作用驱动的味对称性破坏相,但迄今为止仅在价带中观察到超导性。    

新思路
有鉴于此,上海交通大学李听昕、刘晓雪和武汉大学吴冯成等人报告了通过静电掺杂在电子和空穴掺杂的BBG/WSe2 器件中观察到的超导性和一系列对称性破坏相。观察到的超导强度可通过施加的垂直电场进行调节。电子和空穴掺杂超导的最大Berezinskii-Kosterlitz-Thouless转变温度分别约为 210 mK 和 400 mK。仅当施加的电场将BBG电子或空穴波函数驱动至WSe层时,才会出现超导性,这强调了WSe2层在观察到的超导性中的重要性。空穴掺杂的超导性违反了Pauli顺磁极限,与Ising型超导体一致。相比之下,电子掺杂的超导性遵循Pauli极限,尽管邻近诱导的Ising自旋轨道耦合在导带中也很明显。该研究结果突出了与BBG中的导带相关的丰富物理特性,为进一步研究结晶石墨烯的超导机制和基于BBG的超导器件的开发铺平了道路。

技术方案:
1、探究了BBG/WSe2器件中电子和空穴掺杂的超导性    
作者展示了BBG/WSe2器件在零磁场下纵向电阻Rxx 与 D 和 n 的关系,观察到两个显著的有限掺杂超导区域。
2、分析了空穴掺杂侧的量子振荡
作者展示了在空穴掺杂侧 D=1.1Vnm1处测量的Rxx与垂直磁场B和 n 的关系,分析了空穴掺杂侧的量子振荡。
3、分析了电子掺杂侧的量子振荡
作者展示了在D=1.55Vnm1和−1.55Vnm1时电子掺杂时Rxx与B 和 n 的关系,表明了PIP费米海对于该系统超导配对的重要性。
4、研究了空穴掺杂和电子掺杂的平面磁场响应
作者分析了在空穴掺杂和电子掺杂时Rxx随n和T的变化,表明空穴掺杂超导性对施加的B=1T具有弹性,而电子掺杂超导性在低B≈0.2T时被抑制。

技术优势:
1、首次在结晶石墨烯中观察到电子掺杂的超导性
本工作报告了在BBG/WSe2系统中观察到的可调超导性。受益于该装置中实现的高垂直电位移场D,首次在结晶石墨烯中观察到电子掺杂的超导性。
2、获得了单晶石墨烯系统中观察到超导转变温度的最高记录
通过优化样品制备方法,作者成功制备出高质量双层石墨烯与二硒化钨异质结样品,空穴端和电子端的超导态强度都可以通过外加的垂直位移电场进行有效调节,实验上测量到的最高超导转变温度分别约为450 mK和300 mK。

技术细节
电子和空穴掺杂的超导性
作者展示了BBG/WSe2器件的几何形状,显示了在零磁场下纵向电阻Rxx 与 D 和 n 的关系,涵盖了电子和空穴掺杂区域。在Rxx-D-n图中可以观察到一系列以Rxx中的峰值或谷值为特征的相变,测量的Rxx表现出明显的电子-空穴不对称和D场不对称。在n-D相图中出现了两个显著的有限掺杂超导区域,这两个区域都对应于掺杂载流子极化到顶部石墨烯层的情况。在空穴掺杂超导的最佳 D和n下,Tc约为 450 mK,估计TBKT约为400 mK,比之前的研究高出约 1.7 倍。在电子掺杂方面,在可实现的D范围内,Ic和Tc随着|D|的增加而增加,但呈现饱和趋势。最大Tc和TBKT分别约为300 mK和210 mK。    
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图  BBG/WSe2的相图和电子和空穴掺杂超导性 
   
空穴掺杂侧的量子振荡
作者展示了在空穴掺杂侧 D=1.1Vnm1处测量的Rxx与垂直磁场B和 n 的关系。结果表明,在空穴密度低于超导区时,可以识别出两个频率,表明该状态具有六个较小的费米口袋和六个较大的费米口袋。相比之下,在D=−1.1Vnm1时,FFT 频率峰值仅出现在fν=1/12 处,对应于自旋和谷对称的费米面。在超导区域内,对正常态量子振荡的FFT分析表明,谱权重主要集中在略小于 1/2的频率和低频处,对应于具有两个主费米袋和多个小费米袋的部分同位旋极化相。BBG/WSe2系统表现出类似的费米面条件,但在环形费米海中缺乏可观察到的超导相,突出了这两个系统之间的明显区别。
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图   空穴掺杂超导的费米面分析 
   
电子掺杂侧的量子振荡
作者展示了在D=1.55Vnm1和−1.55Vnm1时电子掺杂时Rxx与B 和 n 的关系。在D=1.55Vnm1和高电子密度下,费米面自旋和谷对称,简并度为四倍。随着电子密度的降低,对称性破坏发生,使费米面简并度降低到两倍,最后降低到一倍。此外,理论计算定性地捕捉到了费米面随电子掺杂密度的演变。与空穴掺杂超导性类似,电子掺杂超导性同样仅在电子波函数调至接近 WSe2层时才会出现,并且它也起源于具有PIP2费米面的正常状态。观察结果再次表明了PIP费米海对于该系统超导配对的重要性。
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图  电子掺杂超导的费米面分析 
   
对平面磁场的响应
最后,作者分析了在D=0.96Vnm1(空穴掺杂)和D=−1.64Vnm1(电子掺杂)时Rxx随n和T的变化。在空穴掺杂侧和在电子掺杂侧处,超导配对强度相当,但对平面磁场B的响应却大不相同。在n的一定范围内,空穴掺杂超导性对施加的B=1T具有弹性,而电子掺杂超导性在低得多的B≈0.2T 时被完全抑制。空穴掺杂超导性与 Ising 超导性的现象学一致,它是由WSe2 近场诱导的 Ising SOC 引起的。然而,在电子掺杂超导性中观察到的对B∥ 的有限恢复力更令人费解,需要进一步的理论和实验研究来了解BBG/WSe2系统中电子掺杂超导PVR降低的根本机制。    
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图  空穴掺杂和电子掺杂超导的平面磁场依赖性

展望
总之,作者揭示了由n和D调整的丰富相图,用于与单层WSe2接近的空穴和电子掺杂的 BBG。本研究结果突出了与BBG中的导带相关的丰富物理特性,表明了BBG/WSe2中电子和空穴掺杂超导性之间的相似之处和差异。电子掺杂超导性并不表现为Ising 类超导体这一观察结果表明WSe2在稳定BBG中的超导性方面的作用可能不仅仅归因于Ising SOC。这些观察结果为理解结晶石墨烯系统中超导机制的理论模型提供了实质性的限制。 
   
参考文献:
Li, C., Xu, F., Li, B. et al. Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene. Nature (2024). 
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07584-w

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