河北
研究背景
石墨烯以亚稳态菱方（ABC）手性堆叠方式排列时，会形成具有平带与非平庸拓扑特性的独特低能电子结构。现有相关研究大多聚焦于强层间位移场在电中性点处打开能隙后体系出现的全新基态。在该能隙态区间内，价带与导带带边附近的态密度显著提升，不仅会诱导超导现象产生，还会依据斯通纳判据形成自发自旋极化或能谷极化。
近期有研究在四至六层样品的导带平带边进行低电子掺杂，观测到了手性超导的明确特征。若将石墨烯与六方氮化硼精准转角对准以引入超晶格势场，莫尔原胞在特定填充数下会形成多体能隙。在非对准样品中观测到手性超导的掺杂与位移场区间内，莫尔器件中则会出现整数与分数量子反常霍尔态。
层间势较弱时，价带与导带在费米能级处交叠形成半金属体系，该区间同样具备高态密度特性，但相关研究仍较为有限。只有通过大幅调控载流子掺杂浓度与位移场，才能将费米能级移出该半金属区间，这也意味着菱方多层石墨烯存在大范围的强关联半金属参数区间。
研究内容
华盛顿大学Matthew Yankowitz团队联合加拿大 不列颠哥伦比亚大学Joshua Folk团队在Nature Physics期刊上发表了题为“Superconductivity from dual-surface carriers in rhombohedral graphene”的最新论文。其中导带电子波函数呈指数型局域于顶层，价带主要局域于底层，向体相衰减的速率更慢，并在顶层出现微弱的次级峰值。该现象可借助苏 - 施里弗 - 黑格链模型的拓扑边界态进行解释，也说明菱方石墨烯中的载流子倾向于同时分布在材料两个表面，中心层载流子密度极低。这种分立式电荷分布与传统半金属存在明显差异，传统半金属中的电子型与空穴型载流子在空间上存在大范围交叠。
图文导读
（1）该实验首次在菱方石墨烯的电荷离域半金属正常态中发现超导现象。该体系具备特殊电子结构，价带与导带费米口袋分立于晶体正反表面、共存且空间无明显重叠，区别于传统半金属，突破了以往仅在带隙绝缘态区间探究菱方石墨烯超导的局限。
（2）实验通过调控外加电场位移场与载流子掺杂浓度，开展多层菱方石墨烯输运测试。研究发现八层菱方石墨烯在正负位移场下，相图内各存在五个独立超导区域；七层石墨烯与六方氮化硼形成的莫尔超晶格体系中，单一电阻特征可衍生出两处超导区域。
图 1| 菱形堆垛石墨烯的半金属特性，以及R8G器件中的输运行为。
图 2| R8G双表面载流子态中的超导电性。
图 3| 莫尔R7G器件中的超导电性。
图 4| 莫尔R7G器件中， ν ≈ 1附近的整数量子反常霍尔IQAH态。
结论展望
该研究打破了以往仅在带隙绝缘体系中探索菱方石墨烯超导的固有认知，证实层分离的半金属电子态同样可实现超导配对，拓宽了多层石墨烯超导的存在区间。同时，研究证明电场位移场与掺杂调控可有效切换体系量子物态，实现超导态与量子反常霍尔拓扑态的可控演化，揭示了波函数层向分布是决定超导物性的核心自由度。该成果厘清了多层菱方石墨烯的多样超导行为，建立了半金属体系超导与拓扑量子态的关联机制，为设计低维可控超导体系、实现超导与拓扑态耦合调控，以及探索新型手性超导材料提供了全新思路与理论实验支撑。
来源：低维材料前沿
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