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武漢大學(xué)Fengcheng Wu和上海交通大學(xué)Xiaoxue Liu、Tingxin Li等--電子空穴摻雜Bernal雙層石墨烯的可調(diào)諧超導(dǎo)電性

基于石墨烯的高質(zhì)量二維電子系統(tǒng)已成為研究超導(dǎo)性的高度可調(diào)平臺。具體來說，在電子和空穴摻雜的扭曲石墨烯摩爾體系中都觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象，而在晶體石墨烯體系中，迄今為止只在空穴摻雜的斜方三層石墨烯（RTG）和空穴摻雜的Bernal雙層石墨烯（BBG）中觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象。最近，由于靠近單層 WSe₂，BBG 的超導(dǎo)性得到了增強。在此，報告了通過靜電摻雜在電子和空穴摻雜的 BBG/WSe₂ 器件中觀察到的超導(dǎo)性和一系列味道對稱性破壞相。觀察到的超導(dǎo)電性的強度可通過施加垂直電場進行調(diào)節(jié)。電子摻雜和空穴摻雜超導(dǎo)的最大別列津斯基-科斯特利茲-無窮大轉(zhuǎn)變溫度分別約為 210 mK 和 400 mK。只有當(dāng)外加電場將 BBG 電子或空穴波函數(shù)驅(qū)向 WSe₂ 層時，超導(dǎo)性才會出現(xiàn)，這突出了 WSe₂ 層在觀測到的超導(dǎo)性中的重要性。摻雜空穴的超導(dǎo)違反了保利順磁極限，與類伊辛超導(dǎo)體一致。相比之下，電子摻雜的超導(dǎo)電性遵守了保利極限，盡管在導(dǎo)帶中也有顯著的近似伊辛自旋軌道耦合。本研究的發(fā)現(xiàn)凸顯了 BBG 中與傳導(dǎo)帶相關(guān)的豐富物理現(xiàn)象，為進一步研究晶體石墨烯的超導(dǎo)機制和開發(fā)基于 BBG 的超導(dǎo)體設(shè)備鋪平了道路。

圖1. BBG/WSe₂的相圖及電子和空穴摻雜的超導(dǎo)性。a. BBG/WSe₂ 雙柵器件示意圖。 b. D = 0 V nm^-1 時單層 WSe₂ 和 BBG 的帶排列示意圖。BBG 的電荷中性點位于 WSe₂ 半導(dǎo)體帶隙深處。c. 層間電位差 U = ±100 meV（大致相當(dāng)于位移場 D≈ ±1 V nm^-1）時布里淵區(qū) K 點和 K′點附近的單粒子帶結(jié)構(gòu)計算結(jié)果。在正 D 時，空穴波函數(shù)集中在 BBG 的頂層，因此 WSe₂- 引發(fā)的 SOC 在價帶中更為突出。在負 D 時，電子波函數(shù)集中在 BBG 的頂層，因此 WSe₂-誘導(dǎo)的 SOC 在導(dǎo)帶中更為突出。 d. 在 T = 20 mK 時測量的 Rxx-D-n 圖，涵蓋了電子摻雜（0 < n < 1.0 × 10¹² cm^-2, -1.65 V nm^-1< D < 1.60 V nm^-1）和空穴摻雜（-1.5 × 10¹² cm^-2 < n < 0, -1.55 V nm^-1 < D < 1.55 V nm^-1）區(qū)域。e. 根據(jù) d 和量子振蕩的 FFT 分析確定的實驗相圖。我們使用 d 中的 R_xx 特征作為相界。假定自旋軌道耦合不混合，通過對量子振蕩的 FFT 分析，推斷出每個相位可能的費米面結(jié)構(gòu)（如示意圖所示）。(f)i，不同 D 時空穴（f）和電子摻雜超導(dǎo)（i）的 dV_xx/dI_d.c. 與 I_d.c. 的關(guān)系。g,h,j,k，空穴超導(dǎo)（g）和電子摻雜超導(dǎo)（j）的 I_c（上）和 T_c（下）與 D 的關(guān)系，以及摻空穴一側(cè)在 D = 1.1 V nm^-1 時（h）和摻電子一側(cè)在 D = -1.64 V nm^-1 時（k）的 R_xx 與 n 的溫度關(guān)系。插圖顯示了最佳摻雜狀態(tài)下 R_xx 與 T 的關(guān)系曲線，此時 T_c 達到最高值。

圖2. 摻孔超導(dǎo)的費米面分析。a,b，D = 1.1 V nm^-1 (a) 和 1.5 V nm^-1 (b) 時摻雜空穴一側(cè)的 Rxx 與 n 和 B_⊥ 的關(guān)系。c,d，D = 1.1 V nm^-1 (c) 和 1.5 V nm^-1 (d) 時摻雜空穴一側(cè)的 R_xx (1/B_⊥) 與 n 和 f_ν 的 FFT 關(guān)系。c 和 d 中的 FFT 分析分別基于 0.2 T < B_⊥ < 1 T 范圍內(nèi)的 R_xx 數(shù)據(jù)。不同相位的費米面結(jié)構(gòu)示意圖也顯示在 c 和 d 中。不同相位的 FFT 頻率峰值用紅色箭頭標出。在 D = 1.1 V nm^-1 時，在 PIP₂ 相內(nèi)靠近三方翹曲相的位置觀察到一個超導(dǎo)區(qū) (SC)，該超導(dǎo)區(qū)由 Ising SOC 誘導(dǎo)的自旋分裂形成。

圖3. 電子摻雜超導(dǎo)電性的費米表面分析。a,b，D = 1.55 V nm^-1 (a) 和 -1.55 V nm^-1 (b) 時電子摻雜側(cè)的 R_xx 與 n 和 B_⊥ 的關(guān)系。c,d，D = 1.55 V nm^-1 (c) 和 -1.55 V nm^-1 (d) 時電子摻雜側(cè)的 R_xx (1/B_⊥) 與 n 和 f_ν 的 FFT 關(guān)系。c 和 d 中的 FFT 分析分別基于 a 和 b 中 0.2 T < B_⊥ < 1 T 范圍內(nèi)的 R_xx 數(shù)據(jù)。c 和 d 中還顯示了不同相的費米面結(jié)構(gòu)示意圖。e, f，摻電子一側(cè)在 B = 0 T、D = 1.55 V nm^-1 時（e）和-1.55 V nm^-1 時（f）的 R_xx 與 n 的關(guān)系。只有在負 D 時才能觀察到電子摻雜超導(dǎo)現(xiàn)象。

圖4. 空穴摻雜和電子摻雜超導(dǎo)電性的面內(nèi)磁場依賴性。a,b，摻空穴超導(dǎo)圓頂（a）和摻電子超導(dǎo)圓頂（b）分別在 D = 0.96 V nm^-1 和 D = -1.64 V nm^-1 時 R_xx與 T 和 n 的函數(shù)關(guān)系。c,d，摻空穴超導(dǎo)圓頂（c）和摻電子超導(dǎo)圓頂（d）分別在 D = 0.96 V nm^-1 和 D = -1.64 V nm^-1 時 R_xx 與 B_⊥ 和 n 的函數(shù)關(guān)系。e,f, R_xx 分別是 D = 0.96 V nm^-1 (e) 和 D = -1.64 V nm^-1 (f) 時 B∥ 和 n 的函數(shù)。在最佳摻雜條件下，空穴摻雜超導(dǎo)在 B∥ 高達 1 T 的條件下仍然可以存活，而在 D = -1.64 V nm^-1 條件下，整個電子摻雜超導(dǎo)圓頂在 B∥ ≈ 0.2 T 的小條件下被完全抑制。g,h， Pauli不相容率B⁰_c||/B_p 分別為 D = 0.96 V nm^-1 (g) 和 D = -1.64 V nm^-1 (h)時的Pauli不相容率與 n 的關(guān)系。誤差帶在圓圈范圍內(nèi)。摻空穴的超導(dǎo)違反了保利極限，而摻電子的超導(dǎo)則遵守了保利極限。此外B⁰_c||/B_p 在摻空穴和摻電子超導(dǎo)中都表現(xiàn)出與密度相關(guān)的行為。

相關(guān)研究成果由武漢大學(xué)Fengcheng Wu和上海交通大學(xué)Xiaoxue Liu、Tingxin Li等人2024年發(fā)表在Nature (鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w)上。原文：Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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