2021年，研究者首次在不需要莫爾超晶格的亞穩(wěn)態(tài)單晶石墨烯，即菱方堆垛的三層石墨烯中，通過柵極靜電調(diào)控，觀察到空穴摻雜的超導(dǎo)現(xiàn)象，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為100 mK，這一研究結(jié)果也馬上引起了廣泛的關(guān)注。隨后，2022年，在施加約0.15 T平行磁場(chǎng)和垂直位移電場(chǎng)（約1 V/nm）的條件下，人們?cè)诳昭〒诫s的Bernal堆垛雙層石墨烯也觀察到了超導(dǎo)態(tài)，但其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度僅約為30 mK. 不同于魔角石墨烯和菱方堆垛石墨烯系統(tǒng)，Bernal堆垛的雙層石墨烯是天然石墨的基本組成單元，是一種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，這為可控制備高質(zhì)量樣品、以及未來研制基于石墨烯的新型超導(dǎo)量子器件提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。之后的研究發(fā)現(xiàn)，將半導(dǎo)體過渡金屬硫族化合物二硒化鎢（WSe₂）與Bernal堆垛的雙層石墨烯組合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，由于近鄰效應(yīng)，增強(qiáng)了石墨烯體系的自旋軌道相互作用，有趣的是，這使得雙層石墨烯的超導(dǎo)態(tài)能在零磁場(chǎng)下顯現(xiàn)，并且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度被顯著提升至約300 mK. 但由于實(shí)驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)的位移電場(chǎng)范圍的限制，無法完全揭示雙層石墨烯空穴超導(dǎo)態(tài)隨位移電場(chǎng)變化的性質(zhì)與規(guī)律；而且，其超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制以及二硒化鎢對(duì)石墨烯系統(tǒng)超導(dǎo)態(tài)的影響機(jī)制仍是懸而未決的問題。此外，之前有關(guān)高質(zhì)量雙層石墨烯器件中自發(fā)對(duì)稱性破缺態(tài)和超導(dǎo)態(tài)的研究主要集中在價(jià)帶（空穴摻雜），而對(duì)導(dǎo)帶（電子摻雜）的關(guān)注較少。

通過測(cè)量高質(zhì)量石墨烯樣品的縱向電阻隨垂直磁場(chǎng)的量子振蕩（即Shubnikov-de Haas效應(yīng)，簡(jiǎn)稱SdH振蕩），可以得到有關(guān)能帶費(fèi)米面的重要信息，這對(duì)于理解體系中由于電子關(guān)聯(lián)相互作用導(dǎo)致的自發(fā)對(duì)稱性破缺態(tài)，以及超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制等都具有重要的意義。該研究工作詳細(xì)測(cè)量了在不同位移電場(chǎng)下，低磁場(chǎng)區(qū)間空穴摻雜和電子摻雜時(shí)的SdH振蕩。分析結(jié)果表明，在較高的位移電場(chǎng)下，雙層石墨烯在空穴摻雜和電子摻雜時(shí)均出現(xiàn)了一系列自發(fā)對(duì)稱性破缺態(tài)，這些態(tài)的出現(xiàn)與能帶的范霍夫奇點(diǎn)以及電子-電子相互作用相聯(lián)系。特別地，當(dāng)施加電場(chǎng)使得雙層石墨烯中的電子或空穴靠近二硒化鎢層時(shí)，SdH振蕩的頻率發(fā)生了進(jìn)一步的變化，這是因?yàn)楫?dāng)電子和空穴靠近二硒化鎢層時(shí)，感受到了明顯的自旋軌道耦合作用，從而導(dǎo)致電子態(tài)的簡(jiǎn)并度和費(fèi)米面的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空穴摻雜和電子摻雜的超導(dǎo)的正常態(tài)均對(duì)應(yīng)于費(fèi)米面為部分極化的情況。

最后，該工作詳細(xì)對(duì)比了雙層石墨烯中電子摻雜超導(dǎo)和空穴摻雜超導(dǎo)的性質(zhì)。出乎意料的是，在選取的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，超導(dǎo)臨界垂直磁場(chǎng)等超導(dǎo)性質(zhì)類似的情況下，空穴摻雜超導(dǎo)和電子摻雜超導(dǎo)展現(xiàn)了截然不同的平行磁場(chǎng)依賴性。具體而言，空穴摻雜的超導(dǎo)態(tài)違反了泡利順磁極限，而電子摻雜的超導(dǎo)性卻始終遵循泡利順磁極限。之前的研究工作認(rèn)為，二硒化鎢對(duì)石墨烯系統(tǒng)超導(dǎo)態(tài)的增強(qiáng)效果可以通過近鄰效應(yīng)引入的Ising自旋軌道耦合相互作用的角度來理解，而超過泡利順磁極限的空穴摻雜超導(dǎo)是Ising自旋軌道耦合相互作用的直接結(jié)果。而在此項(xiàng)工作中，盡管通過費(fèi)米面分析在導(dǎo)帶中也觀測(cè)到明顯的Ising自旋-軌道耦合相互作用，但電子摻雜的超導(dǎo)電性卻沒有違反泡利順磁極限。這一觀察預(yù)示著二硒化鎢對(duì)雙層石墨烯中超導(dǎo)的增強(qiáng)效果可能不僅僅來自于近鄰效應(yīng)引入的Ising自旋軌道耦合相互作用。

這一研究工作突顯了在高位移電場(chǎng)下雙層石墨烯系統(tǒng)中涌現(xiàn)的豐富量子物態(tài)，其中很多現(xiàn)象和性質(zhì)還值得進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究。該工作不僅為理解單晶石墨烯乃至魔角石墨烯的超導(dǎo)機(jī)理提供了重要的實(shí)驗(yàn)信息和約束，而且為基于穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的單晶石墨烯設(shè)計(jì)和制造新型超導(dǎo)量子器件奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

論文第一作者為上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士研究生李楚善。共同通訊作者為物理與天文學(xué)院李聽昕副教授，李政道研究所劉曉雪副教授和武漢大學(xué)吳馮成教授。論文的合作者還包括上海交通大學(xué)賈金鋒教授，博士研究生徐凡，李佳熠；武漢大學(xué)博士研究生李泊浩；中科院物理研究所呂力研究員，沈潔研究員，仝冰冰副主任工程師，博士研究生李國安，以及日本國立材料研究所Kenji Watanabe研究員和Takashi Taniguchi研究員。此項(xiàng)研究涉及的器件微納加工部分在上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院微納加工平臺(tái)完成，極低溫測(cè)量在中國科學(xué)院綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置完成。本工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、上海市和上海交通大學(xué)的資助，在此深表感謝。