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研究背景

2018年3月，麻省理工学院PabloJarillo-Herrero课题组（曹原）发现将双层石墨烯堆叠起来，以~1.1°魔角旋转，成功实现了绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门。使魔角双层石墨烯成了宝藏一样的存在，引起了大批研究者的兴趣。近年来，石墨烯的研究迅速成为最热门的科学前沿之一。尽管如此，魔角石墨烯的超导性能否用Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理论来解释，仍然是一个未解决的关键问题。

如Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论所述，魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中超导电性和相关绝缘体的出现，增加一种有趣的可能性，即其配对机制不同于传统超导体。然而，最近的研究表明，即使库仑相互作用被部分屏蔽，超导电性仍然存在。这说明MATBG的配对机制在本质上可能是传统的，是平坦带的态密度（DOS）大导致的结果。

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研究成果

近日，美国普林斯顿大学的Ali Yazdani教授课题组，将隧道和Andreev反射光谱与扫描隧道显微镜（STM）相结合，观察MATBG中非常规超导性的几个关键实验特征。研究表明，在转变温度Tc以下的隧穿谱与传统s波超导体的隧穿谱不一致，而与具有各向异性配对机制的节点超导体的隧穿谱颇为相似。研究者注意到隧穿间隙ΔT之间存在较大差异，远远超过平均场BCS比（2ΔT/kBTc ~ 25）和从Andreev反射光谱中提取的间隙ΔAR（2ΔAR/kBTc ~ 6）。即使超导性被抑制，隧穿间隙仍然存在，这表明它是从赝能隙相出现的。并且，当MATBG与六方氮化硼（hBN）对齐时，赝隙和超导性都不存在。这些发现为MATBG中超导电性的非BCS机制提供了大量证据。

相关研究工作以“Evidence for unconventional superconductivity in twisted bilayer graphene”为题，于2021年10月20日，发表在国际顶级期刊《Nature》上。

值得一提的是，Ali Yazdani教授是超导和拓扑量子领域的大神，至今以第一作者或通讯作者身份已经发表了多篇顶刊，包含13篇《Nature》、12篇《Science》以及十几篇N/S大子刊和PRL等著名期刊！产量之高，质量之佳，令人赞叹！

Ali Yazdani，普林斯顿大学1909级物理学教授，复合材料中心主任，主要从事实验方法的开发和应用，以直观地观察固体中的奇异电子现象。其领导实验室主要利用高分辨率扫描隧道显微镜 (STM) 技术的力量直接可视化拓扑和相关量子材料中的电子波函数，并通过提供独特的原子分辨率数据，验证或约束材料中各种拓扑和相关现象的理论模型。

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图文速递

图1.超导MATBG隧穿间隙的扫描隧穿光谱

图2.MATBG的点接触光谱和Andreev反射光谱

图3.隧道和Andreev反射谱曲线拟合

图4.空穴掺杂MATBG的赝隙区和相图

图5.与hBN对齐的非超导MATBG上的DT-STS和DT-PCS

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结论与展望

研究表明MATBG中的配对是非传统的，不同于BCS机制。STS没有显示出与Tc~1.2k s波BCS超导体尺寸一致的各向同性间隙，但显示出与节点超导体尺寸一致的V形DOS，其中光谱细节随扭曲角和应变而变化。PCS显示了接近Tc的Andreev过剩电流的异常线性抑制。这一行为与其他非常规超导体中的报告类似，被认为这与玻色子模的非弹性散射引起的对破缺效应有关。MATBG中有许多玻色子模的候选者，从声子到集体同位旋的波动；然而，这种情况的一个关键因素是符号变化顺序参数的存在，这使得这种模式的散射对破裂。另一方面，如果配对本质上是自旋三重态，则Andreev光谱中零偏压附近的增强电导与背景电导之比与等自旋配对序参数不相容。此外，MATBG与欠掺杂铜氧化物超导体一样，在描述隧穿和Andreev反射的能量尺度之间表现出相反的行为。

总的来说，本研究为在这种新型电子材料中构建配对机制的模型提供了明确的约束条件，这种电子材料超越了BCS范式。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04121-x