魔角石墨烯，再发Nature!

研究背景

　　超导体的宏观量子特性可以通过超流刚度（ρs）来表征，该量描述了改变宏观量子波函数相位所需的能量。在非常规超导体中，例如铜氧化物超导体，ρs的低温行为与传统超导体显著不同，这是由于来自动量空间中无能隙点（节点）的准粒子激发。

　　近期对魔角扭曲石墨烯家族的深入研究揭示了除了超导态外，还存在与自发破缺对称性相关的强关联电子态，这为研究ρs提供了机会，从而揭示其潜在的非常规超导性。

　　为了解决这一问题，哈佛大学 Philip Kim教授、美国BBN科技Kin Chung Fong 等人在“Nature”期刊上发表了题为“Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors”的最新论文。本研究报告了在魔角扭曲三层石墨烯（TTG）中测量ρs的结果，揭示了非常规的节点隙超导性。通过利用射频反射技术测量与微波谐振器耦合的超导TTG的动力学感抗响应，作者发现ρs在低温下呈线性温度依赖，并且在电流偏置依赖中观察到非线性迈斯纳效应，这两者都表明超导序参量中存在节点结构。

　　此外，掺杂依赖性显示零温度下的ρs与超导转变温度（Tc）之间存在线性相关性，这与铜氧化物中的上村关系类似，暗示超导性受到相干性限制。作者的结果为TTG中的节点超导性提供了强有力的证据，并对这些基于石墨烯的超导体的机制提出了强有力的约束。

研究亮点

　　（1）实验首次测量了魔角扭曲三层石墨烯（TTG）的超流刚度（ρs），得到了表明非常规节点隙超导性的结果。通过射频反射技术，结合微波谐振器对TTG超导样品的动力学感抗响应进行测量，揭示了ρs在低温下的线性温度依赖性，并观察到了非线性的迈斯纳效应，这些结果表明超导序参量中存在节点结构。

　　（2）实验通过温度和掺杂依赖性分析，得到了ρs与超导转变温度（Tc）之间的线性关系。该现象类似于铜氧化物中观察到的上村关系，暗示TTG的超导性受到相干性限制。此外，掺杂依赖性分析进一步揭示了超导状态的演化特征，为超导机制提供了重要信息。

　　（3）实验通过分析BKT转变、上村关系以及节点配对对称性，发现TTG中的超导性符合节点配对的非常规超导特征。这为理解魔角扭曲石墨烯中的超导机制提供了新的视角，支持了超导性与强关联电子效应之间的关系。

　　（4）实验通过测量非线性迈斯纳效应，进一步验证了TTG中的超导性与非常规节点配对相关。这一现象与传统的BCS超导理论不符，表明TTG超导态可能存在不同于常规超导的机制。

图文解读

图1：实验装置及器件表征

图2：温度和掺杂依赖的超流刚度

图3：BKT转变，上村关系和节点配对对称性

图4：非线性迈斯纳效应

结论展望

　　本文的超流刚度测量为魔角扭曲多层石墨烯（MATMG）中的超导性特征提供了深刻的见解。多种迹象的汇聚，包括超流刚度的线性温度依赖性抑制、非线性迈斯纳效应的观察及其温度依赖性，提供了强有力的证据，表明超导配对具有节点对称性。零温度下超流刚度与超导转变温度之间的线性缩放关系暗示了一种不寻常的情形，即超导转变受到相位波动的控制，而非库珀对的破裂。

　　原文详情：

　　Banerjee, A., Hao, Z., Kreidel, M. et al. Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors. Nature 638, 93–98 (2025).

　　来源：纳米人