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　　克日，上海交通大学物理与天文学院李听昕课题组、李政道切磋所刘晓雪课题组正在Nature上揭橥题为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”的切磋论文。该项切磋初次正在单晶石墨烯中观测到电子掺杂情形的超导电性kb，这对付认识晶体石墨烯及转角石墨烯体系的超导机理，安排制备基于石墨烯体系的高质料新型超导量子器件等具有主要旨趣。

　　超导这一宏观量子外象最早由荷兰科学家H. K. Onnes于1911年正在切磋汞正在低温下的电学输运性子时被初次阅览到，是固结态物理学中里程碑式的涌现之一，相闭超导原料和超导机理的切磋是物理学及干系规模切磋中经久不衰的课题。2018年，相闭魔角双层石墨烯的切磋初次正在石墨烯体系中阅览到超导电性，这一切磋马上惹起了邦际物理学界的平凡眷注，引颈了相闭二维莫尔超晶格切磋的高潮。今后，切磋者们正在转角众层石墨烯莫尔超晶格体系中也观测到了超导电性，而转角石墨烯中超导与平带之间的闭联、超导的配对机制等，至今仍是规模内备受眷注的主要科常识题。魔角双层石墨烯对两层石墨烯之间的转角哀求极端苛刻，容忍度仅正在魔角1.1度正负过失0.1度的限制，这正在肯定水平上局限了对魔角石墨烯中超导电性的深刻切磋。

　　2021年，切磋者初次正在不需求莫尔超晶格的亚稳态单晶石墨烯，即菱方堆垛的三层石墨烯中，通过栅极静电调控，阅览到空穴掺杂的超导外象，其超导改观温度约为100 mK，这一切磋结果也立地惹起了平凡的眷注。随后，2022年，正在施加约0.15 T平行磁场和笔直位移电场（约1 V/nm）的条款下，人们正在空穴掺杂的Bernal堆垛双层石墨烯也阅览到了超导态，但其超导改观温度仅约为30 mK. 分别于魔角石墨烯和菱方堆垛石墨烯体系，Bernal堆垛的双层石墨烯是自然石墨的根本构成单位，是一种坚固的晶体组织，这为可支配备高质料样品、以及来日研制基于石墨烯的新型超导量子器件供给了理思的测验平台。之后的切磋涌现，将半导体过渡金属硫族化合物二硒化钨（WSe2）与Bernal堆垛的双层石墨烯组合变成异质组织时，因为近邻效应，巩固了石墨烯系统的自旋轨道彼此效用，意思的是，这使得双层石墨烯的超导态能正在零磁场下透露，而且超导改观温度被明显提拔至约300 mK. 但因为测验中可杀青的位移电场限制的局限，无法统统揭示双层石墨烯空穴超导态随位移电场转折的性子与次序；况且，其超导配对机制以及二硒化钨对石墨烯体系超导态的影响机制仍是悬而未决的题目。另外，之前相闭高质料双层石墨烯器件中自觉对称性破缺态和超导态的切磋首要召集正在价带（空穴掺杂），而对导带（电子掺杂）的眷注较少。

　　图二 测验揭示的双层石墨烯与二硒化钨异质结体系的相图，以及阅览到的空穴和电子掺杂情形的超导态

　　通过优化样品制备伎俩，上海交大测验团队胜利制备出高质料双层石墨烯与二硒化钨异质结样品，使得可能对其施加高达1.6 V/nm的笔直位移电场。通过展开体系的极低温量子输运丈量，联合电场调控和静电掺杂调控，他们揭示了该体系中空穴掺杂超导随位移电场和载流子浓度转折的完备相图；更为主要的是，测验上正在电子掺杂的情形也阅览到超导态，这是正在单晶石墨烯中初次阅览到电子掺杂的超导电性。空穴端和电子端的超导态强度都可能通过外加的笔直位移电场举行有用治疗，测验上丈量到的最高贵导改观温度离别约为450 mK和300 mK，这也是目前正在单晶石墨烯体系中阅览到超导改观温度的最高纪录。

　　图三 正在外加高笔直位移电场下，Bernal堆叠双层石墨烯电子端量子振荡及费米面判辨

　　通过丈量高质料石墨烯样品的纵向电阻随笔直磁场的量子振荡（即Shubnikov-de Haas效应，简称SdH振荡），可能取得相闭能带费米面的主要消息，这对付认识系统中因为电子相干彼此效用导致的自觉对称性破缺态，以及超导配对机制等都具有主要的旨趣。该切磋使命周详丈量了正在分别位移电场下，低磁场区间空穴掺杂和电子掺杂时的SdH振荡。判辨结果解释，正在较高的位移电场下，双层石墨烯正在空穴掺杂和电子掺杂时均浮现了一系列自觉对称性破缺态，这些态的浮现与能带的范霍夫奇点以及电子-电子彼此效用相闭系。稀少地，当施加电场使得双层石墨烯中的电子或空穴挨近二硒化钨层时，SdH振荡的频率爆发了进一步的转折，这是由于当电子和空穴挨近二硒化钨层时，感觉到了显着的自旋轨道耦合效用，从而导致电子态的简并度和费米面的组织爆发转折。测验结果解释，空穴掺杂和电子掺杂的超导的寻常态均对应于费米面为片面极化的情形。

　　最终，该使命周详比照了双层石墨烯中电子掺杂超导和空穴掺杂超导的性子。出乎料思的是，正在挑选的超导改观温度，超导临界笔直磁场等超导性子近似的情形下，空穴掺杂超导和电子掺杂超导展示了半斤八两的平行磁场依赖性。的确而言，空穴掺杂的超导态违反了泡利顺磁极限，而电子掺杂的超导性却永远坚守泡利顺磁极限。之前的切磋使命以为，二硒化钨对石墨烯体系超导态的巩固成果可能通过近邻效应引入的Ising自旋轨道耦合彼此效用的角度来认识，而胜过泡利顺磁极限的空穴掺杂超导是Ising自旋轨道耦合彼此效用的直接结果。而正在此项使命中，只管通过费米面判辨正在导带中也观测到显着的Ising自旋-轨道耦合彼此效用，但电子掺杂的超导电性却没有违反泡利顺磁极限。这一阅览预示着二硒化钨对双层石墨烯中超导的巩固成果或许不光仅来自于近邻效应引入的Ising自旋轨道耦合彼此效用。

　　该成绩上海交大团队首要成员：（从左至右）刘晓雪、李佳熠、李楚善、徐凡、李听昕

　　这一切磋使命突显了正在高位移电场下双层石墨烯体系中显露的富厚量子物态，个中良众外象和性子还值得进一步的外面和测验切磋。该使命不光为认识单晶石墨烯甚至魔角石墨烯的超导机理供给了主要的测验消息和拘束，况且为基于稳态组织的单晶石墨烯安排和筑制新型超导量子器件奠定了坚实基本。

　　论文第一作家为上海交通大学物理与天文学院博士切磋生李楚善。协同通信作家为物理与天文学院李听昕副讲授，李政道切磋所刘晓雪副讲授和武汉大学吴冯成讲授。论文的协作家还征求上海交通大学贾金锋讲授，博士切磋生徐凡，李佳熠；武汉大学博士切磋生李泊浩；中邦科学院物理切磋所吕力切磋员，沈洁切磋员，仝冰冰副主任工程师，博士切磋生李邦安，以及日本邦立原料切磋所Kenji Watanabe切磋员和Takashi Taniguchi切磋员。此项切磋涉及的器件微纳加工片面正在上海交通大学物理与天文学院微纳加工平成，极低温丈量正在中邦科学院归纳十分条款测验装备杀青。本使命取得科技部、邦度自然科学基金委、上海市和上海交通大学的资助，正在此深外感激。

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