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看了今天的《Science》，只能表示大写的服！轰动世界，再度封神！

2021-03-20 13:12:45 21 1364

2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯因此被带入了人们的视线，央视新闻之前也特别报道过。石墨烯号称“新材料之王”，具有逆天的性能，具有优异的光学、电学、力学特性，可这是为什么呢？这就得从它的结构说起，石墨烯层包含了面内 σ 键和面外 π 键。σ 键使石墨烯具有电子传导性并使石墨烯层之间产生了较弱的相互作用。共价 σ 键形成了六边形结构和 c 轴面的刚性主链，即 π 键控制着不同的石墨烯层之间的关联。它展示了一个面上的 3 个 σ 键／原子以及垂直于 σ 键／原子面的 π 轨道。石墨烯新颖的电子性质在于它可以维持巨大的电流。石墨烯中的 π 键使石墨烯具有电子传导性，并使石墨烯层之间产生较弱的相互作用。

在2018年，麻省理工Pablo Jarillo-Herrero课题组将两片石墨烯堆叠起来并旋转~1.1°，于是发现了石墨烯新的电子态，可以简单实现从绝缘体到超导体的转变，开启了非常规超导体研究的时代。这一轰动性的发现由中国少年曹原作为第一作者背靠背发表了两篇《Nature》，而那神奇的1.1°也被命名为“magic-angle”，即所谓的“魔角”。

就在上周（3月12日），哈佛大学Philip Kim教授课题组通过扭曲范德瓦尔斯(vdW)异质结构中的层来设计莫尔超晶格，已经揭示了一系列广泛的量子现象。与曹原等人发现的三明治”石墨烯（仅旋转中层）不同，哈佛大学团队发现的三层扭曲石墨烯结构以“魔角”依次旋转了每层石墨烯。作者构建了一个vdW异质结构，该结构由三层石墨烯以交替扭转角堆叠而成。在平均扭转角约为1.56^o时(理论上预测的形成平坦电子带的“魔角”)，观察到位移场可调的超导性，最大临界温度为2.1开尔文。通过调整掺杂水平和位移场，研究发现超导区与莫尔带的极化一起出现，并且在高位移场时受范霍夫奇点(vHS)的限制。这项发现与弱耦合描述不一致，表明观察到的摩尔超导具有非常规性质。相关研究工作以“Electric field–tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

魔角扭曲双层石墨烯(tBLG)中超导性的发现对超导序参数的性质提出了有趣的问题。魔角tBLG的相图，以相关绝缘体(CI)和超导相为特征，类似于铜酸盐材料的相图，表明超导相来自非常规来源。相比之下，最近对超导性的观察似乎表明，超导性是通过电子-声子耦合产生的，这一解释得到了一系列理论模型的支持。

人们早就认识到，阐明库仑相互作用的作用对于确定超导性的性质至关重要。对于传统的超导体，电声子耦合在低温下稳定超导性时与库仑排斥竞争。因此，较弱的库仑排斥将导致更强劲的超导序参数。相比之下，一种非常规的超导材料，其有序参数随着库仑相互作用的增加而增强。对于传统的固态材料来说，通过直接控制依然具有实验性的挑战，在不给材料带来额外变化的情况下超导体内的库仑相互作用。van der Waals材料的灵活性为利用近距离屏蔽控制魔角tBLG结构中的库仑相互作用提供了一个宝贵的机会。

今天，魔角石墨烯研究再次取得新突破！

研究成果

控制相互作用的强度对于研究相关费米子系统中出现的量子现象至关重要。今日，布朗大学物理系J. I. A. Li教授研究团队报道了引入了一种器件几何体，通过这种几何形状，魔角扭曲的双层石墨烯被放置在伯纳尔双层石墨烯附近，由3纳米厚的阻挡层隔开。通过使用伯纳尔双层的电荷屏蔽，扭曲双层内的电子-电子库仑相互作用的强度可以被连续调节。传输测量表明，调谐库仑屏蔽对绝缘和超导状态有相反的影响。当库仑相互作用被屏蔽削弱时，绝缘状态变得不稳定，而超导性在最佳掺杂下的稳定性得到增强。这些结果为理解魔角扭曲双层石墨烯超导机制的理论模型提供了重要的约束。相关研究工作以“Tuning electron correlation in magic-angle twisted bilayer graphene using Coulomb screening”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

仅一周时间，魔角石墨烯连续两次登上Science顶刊，足见其魅力，石墨烯研究浪潮还在上涨！

图文速递

图1. Bernal BLG（伯纳尔双层石墨烯）和魔角双层石墨烯tBLG双层结构

图2. 库仑屏蔽对相关绝缘体（CI）的影响

通常，不同样本之间的差异使得很难对理论模型提供可靠的实验约束。在这项工作中，作者通过使用屏蔽调整单个器件中库仑相互作用的强度来解决这个障碍，同时使用输运测量来研究CIs和超导相中的响应。使用混合双层结构，其中伯纳尔双层石墨烯BLG和魔角扭曲双层石墨烯(tBLG)由厚度为3纳米的薄绝缘阻挡层隔开(图1A)。这种紧密的接近使得来自BLG的电荷载流子能够屏蔽三丁基锡化合物中的库仑相互作用，从而直接控制莫尔平坦带中的电子关联。

图3 存在大的d场诱导的能隙时调谐n_BLG的效应

原则上，邻近的金属BLG层对超导性的增强可能是由于抑制了三丁基锡化合物中的相位波动，而对库珀对的形成没有明显的影响，导致了较高的贝瑞辛斯基-科斯特利兹-索尔兹转变温度。可以排除这种情况，因为nBLG调谐开始的温度与库珀配对大致相同。

在没有滤波的情况下，当BLG是金属时，超导相被极大地抑制。这可能是由于来自测量装置外部的射频噪声的影响，该噪声被双层结构中绝缘屏障上的电容耦合放大。这种外部辐射的影响可以通过安装低通滤波器来消除。邻近的金属层对超导性的增强表明外部高频辐射的影响通过滤波被充分消除。

图4 在最佳掺杂条件下调谐n_BLG对魔角tBLG超导性的影响

结论与展望

综上所述，n_BLG调谐的主要作用是改变魔角量子阱中库仑相互作用的强度。库珀对的形成和最佳掺杂下的超导性随着屏蔽的增加而变得更加稳定，这似乎与电声子耦合与库仑相互作用相竞争以稳定超导相一致。或者，库仑屏蔽可以通过改变莫尔平板的性质，如费米表面的大小，来影响超导性。控制库仑相互作用的能力有望为旨在精确描述魔角超导量子阱中超导性的理论模型提供重要的约束。不鸣则已，一鸣惊人，魔角石墨烯一出手就是Nature、Science顶刊，令人膜拜，但这都离不开研究者们锲而不舍、细致入微的探索精神，才让其凸显璀璨魅力，期待石墨烯研究取得更多突破，造福社会！

文章链接：https://science.sciencemag.org/content/371/6535/1261

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