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“顶刊狂魔”Ali Yazdani教授的第25篇正刊,揭开魔角石墨烯超导的秘密!

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高分子科学前沿 2021-10-21 13:20

Q:现有的BCS理论能够解释魔角石墨烯的超导机制吗?

2018 年,“石墨烯大神”曹原及其导师Pablo Jarillo-Herrero教授首次将两个单原子厚石墨烯层(称为“魔角”扭曲双层石墨烯,MATBG)以~1.1°的“魔角”堆叠起来,并通过门电压调控载流子浓度,成功实现了能带半满填充状态下的绝缘体,继而实现1.7 K的超导电性(图1)。该工作完美再现了铜氧化物高温超导中的物理现象,即准二维材料体系中载流子浓度调控下的莫特绝缘体,也是第一次在纯碳基二维材料中实现超导电性,对高温超导机理研究乃至量子自旋液体的探索等强关联电子材料中前沿问题有着重要的启示。

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图1. “魔角”石墨烯超导现象和器件

这一发现震惊了整个物理学界,并迅速成为最热门的科学前沿之一。尽管如此,魔角石墨烯领域仍然存在一个关键的科学问题尚未解决,即是否能够使用现有的Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理论来解释魔角石墨烯的超导性?

对此,物理学界尚未达成统一的共识。争议的一方认为MATBG实际上是一种伪装在非凡材料中的常规超导体,其配对机制与传统超导体相同;而另一方则认为MATBG具有高温铜酸盐超导体的许多特征,属于非常规超导体。最重要的是,迄今为止还没有任何关于超导状态具体的实验测量来支持这一结论。

Yazdani第25篇正刊: 观察到MATBG 中非常规超导性的几个关键实验特征

2021年10月20日,《Nature》在线刊登了普林斯顿大学物理系和复合材料中心主任Ali Yazdani 教授团队对MATBG超导状态进行实验测量的最新研究成果,并观察到MATBG 中非常规超导性的几个关键实验特征(图2),从而为MATBG超导机制的争论画上了休止符

值得一提的是,Ali Yazdani 教授是超导和拓扑量子领域的大神,至今以第一作者或通讯作者身份已经发表了12篇《Nature》、12篇《Science》以及十几篇N/S大子刊和PRL等物理学顶刊!

图2. MATBG中非常规超导相(黄色)的基本特征,该相以零电阻和零能量损失导电,和其先前未知的赝隙状态(蓝色),均是超导性的必要前提。

为了研究MATBG的超导特性,Myungchul Oh 等人将隧道和 Andreev 反射光谱与扫描隧道显微镜 (STM) 相结合(图3),来观察MATBG中极其微小而复杂的“微观电子世界”。该技术主要依赖于一种称为“量子隧穿”的新现象,其中电子在显微镜的尖锐金属尖端和样品之间形成漏斗,继而使用这种隧道电流来观察原子尺度的电子世界。

图3. 超导 MATBG 隧道间隙的扫描隧道光谱。

实验中,研究人员观察到MATBG表现出非常规超导的两个突出特征。第一个特征是超导成对电子具有有限的角动量,这种行为与非常规高温铜酸盐超导体中发现的行为惊人地类似。而在传统超导体中形成库珀对时,它们没有净角动量,类似于与氢 s 轨道中的氢原子结合的电子。

由于STM 通过隧道电子进出样品来工作,在所有电子都成对的超导体中,只有当超导体的电子对断开时,样品和 STM 尖端之间的电流才有可能。 “打破电子对需要能量,而这种电流的能量依赖性取决于配对的性质。在MATBG中,我们发现了有限动量配对所预期的能量依赖性,” Ali Yazdani 教授说道。 “这一发现强烈限制了MATBG中配对的微观机制。”

此外,研究人员还发现:当通过升高温度或施加磁场使超导状态猝灭时,MATBG的隧穿间隙仍然存在,表明它是从赝间隙相中出现的。在传统的超导体中,当超导性被杀死时,材料行为与普通金属的行为相同,即电子未配对。然而,在非常规超导体中,即使没有超导,电子仍然在某种程度上配对在一起,这种情况在当从样品中去除电子的阈值能量大致存在时会出现。物理学家将这种阈值能量称为“赝间隙”。

图4. MATBG 的点接触光谱和 Andreev 反射。

此外,当 MATBG 与六方氮化硼 (hBN) 对齐时,赝间隙和超导性均不存在。综上所述,MATBG表现出与非常规高温铜酸盐超导体相似的有限动量配对和赝间隙的实验特征,从而为MATBG 中超导性的非 BCS 机制提供了大量的实验证据。

未来,Ali Yazdani 教授团队会将研究焦点聚焦于探索什么导致电子在非常规超导中配对——这种现象仍然困扰着物理学家。 BCS 理论依赖于电子之间的弱相互作用,由于它们与离子的潜在振动相互作用,因此它们的配对成为可能。然而,非常规超导体中的电子配对比简单金属中的电子配对要强得多,到底是什么起“胶水”作用将它们配对在一起,还尚不清楚。

“我希望我们的研究能够帮助物理学界更好地理解非常规超导的机制,”Oh 说。 “同时,希望我们的研究将激励实验物理学家共同努力揭示这种现象的本质。”

作者简介

Ali Yazdani,普林斯顿大学1909级物理学教授,复合材料中心主任,主要从事实验方法的开发和应用,以直观地观察固体中的奇异电子现象。Ali Yazdani教授领导的实验室主要利用高分辨率扫描隧道显微镜 (STM) 技术的力量直接可视化拓扑和相关量子材料中的电子波函数,并通过提供独特的原子分辨率数据,验证或约束材料中各种拓扑和相关现象的理论模型。

截至目前,Ali Yazdani教授已经在Nature(13)、Science (12)、Nature Physics(5)、Nature Reviews Physics、PNAS、PRL等著名期刊发表论文340余篇,h-index为54。

课题组主页:

https://yazdanilab.princeton.edu/publications

参考文献:

Oh, M., Nuckolls, K.P., Wong, D. et al. Evidence for unconventional superconductivity in twisted bilayer graphene. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04121-x

来源:高分子科学前沿

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