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魔角石墨烯,Nature!

研究背景

超導性是指在低溫下電子對(庫珀對)凝聚成一個宏觀量子態,表現出零電阻和邁斯納效應等特性。超導材料被廣泛應用于量子計算、磁共振成像(MRI)、粒子加速器等領域。與傳統的超導材料相比,非傳統超導材料如銅氧化物和鐵基超導體展示了不同的超導機制,特別是超導序參量中的節點結構,導致了獨特的溫度和摻雜依賴性。
近年來,魔角扭曲石墨烯(MATMG)家族的發現為研究非常規超導性提供了新機遇。MATMG材料在強關聯電子系統中展示了豐富的物理現象,包括超導性和自發對稱性破缺的關聯電子態,這引起了廣泛的關注。然而,MATMG超導的具體機制尚不明確,現有研究主要依賴于電學輸運和掃描隧道譜,缺乏對超導態內部結構的深入探索。
成果簡介
為了解決這一問題,BBN Technologies的 Kin Chung Fong研究者 以及哈佛大學 Philip Kim教授團隊在Nature期刊上發表了題為“Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors”的最新論文。
該團隊采用射頻反射技術,成功測量了TTG超導體的超流剛度(ρs),揭示了非常規的節點隙超導性。利用微波諧振器耦合技術,研究人員能夠通過測量TTG樣品的動力學感抗響應,準確地獲取ρs的溫度和摻雜依賴性。結果顯示,ρs在低溫下呈線性溫度依賴,并且在電流偏置依賴中觀察到非線性邁斯納效應,表明超導序參量中存在節點結構。
此外,研究還發現,零溫度下的ρs與超導轉變溫度(Tc)之間存在線性相關性,類似于銅氧化物中的上村關系,暗示該超導性受相干性限制。研究人員的這一發現為理解MATMG超導性提供了強有力的證據,并為進一步研究圖形化基超導材料的機制提供了重要線索。
魔角石墨烯,Nature!
研究亮點
(1)實驗首次在魔角扭曲三層石墨烯(TTG)中測量了超流剛度(ρs),得到了與節點超導性相關的非常規超導行為。
(2)實驗通過射頻反射技術測量與微波諧振器耦合的TTG樣品的動力學感抗響應,發現ρs在低溫下呈線性溫度依賴,并且電流偏置依賴中存在非線性邁斯納效應,均表明超導序參量中存在節點結構。
(3)實驗進一步通過摻雜依賴性研究發現,零溫度下的ρs與超導轉變溫度(Tc)呈線性相關,這一發現與銅氧化物中的上村關系相似,提示超導性受到相干性限制。
圖文解讀
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圖1:實驗裝置及器件表征
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圖2:溫度和摻雜依賴的超流剛度
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圖3:BKT轉變,上村關系和節點配對對稱性
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圖4:非線性邁斯納效應
結論展望

本文通過超流剛度的測量,發現MATMG展現出非常規的超導行為,尤其是節點配對對稱性,這與傳統的超導配對機制顯著不同。線性溫度依賴的超流剛度、非線性邁斯納效應以及超導轉變溫度與超流剛度之間的線性關系,表明超導轉變并非由庫珀對破裂所主導,而是受到相位波動的控制。
這一發現挑戰了傳統BCS理論的框架,提示超導性可能與更復雜的電子相互作用和配對機制相關。此外,研究還為探索石墨烯類材料中的超導性提供了新的方向,尤其是如何通過控制材料的結構、摻雜和溫度等因素來調節超導態的相變。總之,本文揭示了超導材料中的非傳統配對機制,并為未來開發基于強關聯材料的新型超導體提供了寶貴的參考。
文獻信息
Banerjee, A., Hao, Z., Kreidel, M. et al. Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors. Nature 638, 93–98 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08444-3

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