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他，又发Science，再次轰动世界！曾一天2篇Nature！

2022-02-11 17:15:25 0 437

研究背景

自旋三重态超导体，在自然界非常罕见，这可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要求严格。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。在铀基化合物（如URhGe和UTe₂）等中观察到违反此限制，可作为自旋三重态超导体的突出候选物质。

近年来，石墨烯基二维材料已经成为超导电性的平台。特别是，在两种不同的石墨烯三层膜——一种旋转断裂，一个是亚稳态菱形堆积顺序——观察到持续超过顺磁极限的超导态现象，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。其旋转断层构造通常不稳定，不仅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，虽然可产生均匀的结构，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。

研究成果

近日，加州大学圣芭芭拉分校Andrea F. Young教授（通讯）、周昊欣博士（一作）报道了伯纳尔双层石墨烯中观察到磁场诱导产生的自旋极化超导现象。研究者预计场效应控制的超导性，将成为无序度足够低的石墨烯同素异形体中的普遍现象。相关研究工作以“Isospin magnetism and spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene”为题，发表在国际顶级期刊《Science》上。

值得一提的是，一作周昊欣博士为一名中国留学生。中科大少年班2011级学生，毕业后，直博加州大学圣巴巴拉分校。研究领域和曹原一样，都是在石墨烯方面深入探索，被称为“下一个曹原”。目前已博士毕业，在加州理工学院从事博士后研究。

据了解，这是周昊欣博士第3篇以一作身份发表Nature/Science正刊。前2篇正刊均为一作Nature，于2021年9月1日同天背对背发表，当时可谓轰动世界。之前有过报道，详情见《中国小伙，一天2篇Nature，关于菱面三层石墨烯，轰动世界！》。

图文速递

以前对电子相关物理的探索，主要集中在抛物线带接触的不稳定性上，而这种不稳定性是在没有外加位移场的情况下发生的。当施加垂直电位移场（D≈ 0.5 V/nm）时，抛物线带接触被带隙取代，产生van Hove奇点，其特征是在带边附近出现发散的单粒子态密度。

图1. 伯纳尔双层石墨烯中同位旋对称相破缺

图2. 磁场诱导超导性

当掺杂到较大垂直电场产生的鞍点Van Hove奇点时，可观察到电子相位之间的静电门调谐跃迁级联，其在同位旋空间（由自旋和动量空间谷自由度的组合定义）中的极化不同。尽管所有这些相在零磁场下都是金属相，但在有限磁场（与二维板材平行施加B_‖≈150 mT）下，可观察到金属相向超导状态的转变。超导性发生在对称破缺转变附近，并且仅存在于顺磁超导体预期的B_‖，观察到的转变温度Tc ≈30 mK，与自旋三重态序参数一致。

图3. 超导态的费米学

图4. 磁场诱导的相变

结论与展望

上述的研究结果，对石墨烯系统中任何关于超导性的普遍理论都提出了重要的限制（假设这种理论存在）。尤其，在伯纳尔双层石墨烯（BBG）、菱形三层石墨烯（RTG）和莫特材料（moiré）中，各自超导区的费米表面拓扑结构存在差异，表明费米表面细节并非超导机制的核心。相反，接近同位旋有序相是莫特相和晶体石墨烯超导体的一个普遍特征，暗示了波动调节或其他纯排斥机制。

关于解决超导电性的机制，当前工作的最大影响是实用性：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。这使得探测配对对称性（如混合超导环中的相敏测量）成为可能，或许将直接证明/反驳这项工作中推断的自旋三重态性质。

此外，本研究和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，研究者预计场效应控制的超导性，将是石墨烯同素异形体（无序度足够低）中的一种普遍现象。

文献

文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8386

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