近日，武汉大学物理科学与技术学院吴冯成课题组与上海交通大学李听昕课题组、刘晓雪课题组合作，在Nature上在线发表题为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”的研究论文，吴冯成教授、刘晓雪副教授、李听昕副教授为论文共同通讯作者。论文的合作者还包括上海交通大学贾金锋教授，博士研究生李楚善、徐凡、李佳熠；武汉大学博士研究生李泊浩；中国科学院物理研究所吕力研究员、沈洁研究员、仝冰冰副主任工程师、博士研究生李国安；以及日本国立材料研究所Kenji Watanabe研究员和Takashi Taniguchi研究员。
超导材料在临界温度以下表现出特殊的电磁学性质，即零电阻和完全抗磁性。超导是宏观量子现象，它不仅是凝聚态物理的重要研究课题，还在多个应用领域展示了巨大的潜力，包括磁共振成像、超导磁体、以及量子计算等技术。近年来，研究者们在不同的石墨烯系统中观测到了超导电性，如魔角双层石墨烯和菱方堆垛三层石墨烯，以及自然结构的双层石墨烯。之前有关高质量双层石墨烯器件中自发对称性破缺态和超导态的研究主要集中在价带（空穴掺杂），而对导带（电子掺杂）的关注较少。
通过优化样品制备方法，研究团队成功制备出高质量双层石墨烯与二硒化钨异质结样品，使得可以对其施加高达1.6 V/nm的垂直位移电场。通过开展系统的极低温量子输运测量，结合电场调控和静电掺杂调控，他们揭示了该系统中空穴掺杂超导随位移电场和载流子浓度变化的完整相图；更为重要的是，实验上在电子掺杂的情况也观察到超导态，这是在单晶少层石墨烯中首次观察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以通过外加的垂直位移电场进行有效调节，实验上测量到的最高超导转变温度分别约为450mK和300mK，这也是目前在单晶少层石墨烯系统中观察到超导转变温度的最高记录。
双层石墨烯与二硒化钨异质结系统的相图，包括空穴和电子掺杂的超导态
通过测量样品的纵向电阻随垂直磁场的量子振荡，可以得到有关能带费米面的重要信息，这对于理解体系中由于电子关联相互作用导致的自发对称性破缺态，以及超导配对机制等都具有重要的意义。该研究工作详细测量了在不同位移电场下，低磁场区间空穴掺杂和电子掺杂时的量子振荡。分析结果表明，在较高的位移电场下，双层石墨烯在空穴掺杂和电子掺杂时均出现了一系列自发对称性破缺态，这些态的出现与能带的范霍夫奇点以及电子-电子相互作用相联系。特别地，当施加电场使得双层石墨烯中的电子或空穴靠近二硒化钨层时，量子振荡的频率发生了进一步的变化，这是因为当电子和空穴靠近二硒化钨层时，感受到了明显的自旋轨道耦合作用，从而导致电子态的简并度和费米面的结构发生变化。实验结果表明，空穴掺杂和电子掺杂的超导的正常态均对应于费米面为部分极化的情况。吴冯成课题组对电子掺杂的自发对称性破缺态进行了理论计算，与实验测量的量子振荡相吻合，为实验提供了理论支撑。
这一研究工作突显了在双层石墨烯系统中由电场和载流子浓度调控的丰富量子物态，不仅为理解石墨烯体系的超导机理提供了重要的信息，而且为设计和制造新型超导量子器件提供了新的方向。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w
通讯员：物轩 编辑：肖珊
来源：武汉大学