超级重磅Nature：菱方石墨烯中的反常金属与超导相

研究背景

　　二维超导目前已在石墨烯体系中得到广泛确认，其中许多体系呈现出非常规配对的迹象。菱方石墨烯从双层到十层以上的多层结构中均已观察到超导，且其性质可由掺杂和位移场高度调控。然而，在一些原本具有明确超导特征的栅压调控相中，电阻随温度降低并不归零，而是饱和于有限值，其起源至今未明。

　　类似的有限电阻饱和现象在过去四十年间已见于元素薄膜、非晶合金薄膜、铜氧化物、范德华材料以及周期性超导阵列等多类准二维超导体中，通常被称为反常金属。现有解释包括库珀对已形成但未建立长程相位相干的“失败超导体”图像，以及由未凝聚库珀对构成的耗散流体（即“玻色金属”），但其微观机制至今尚无共识。长期以来的一大障碍在于难以排除非平衡激发、空间不均匀性等外在因素，而超洁净、高可调的菱方石墨烯恰好为检验这些解释提供了理想平台。

成果简介

　　有鉴于此，美国华盛顿大学Matthew Yankowitz副教授与加拿大英属哥伦比亚大学Joshua Folk教授等人在WSe2衬底上的八层菱方石墨烯中系统研究了有限电阻饱和行为。零磁场下，栅压空间中出现两类孤立口袋：一类为零电阻的超导（SC），另一类为电阻骤降后饱和于有限值的反常金属（AM），二者在温度、垂直磁场和电流超过临界值时均呈现突变式转变。微小的面内磁场可使两类口袋扩展并合并，在毫开温区形成零电阻态与有限电阻态之间的陡峭边界。研究发现，二者最高临界温度相近（约100 mK），但垂直临界场相差约一个数量级（约4 mT对约300 mT），面内临界场相差约4倍，表明两者的配对态在轨道或自旋结构上并不相同，反常金属并非邻近超导体简单的相位无序版本。相关成果以“Anomalous metal and superconducting phases in rhombohedral graphene”为题发表在《Nature》上。

图注说明

　　图1 零磁场下的超导与反常金属口袋。(A) 基温、零磁场下纵向电阻率ρxx随载流子浓度n与位移场D的变化图，插图为带单层WSe2衬底的双栅八层菱方石墨烯器件示意图。(B) ρxx随温度T的变化：蓝色曲线位于超导口袋内（n = 1.34×1012 cm−2，D = 0.47 V nm−1），红色曲线位于反常金属口袋内（n = −1.25×1012 cm−2，D = 0.33 V nm−1），插图为蓝色曲线低温段的放大图。(C) 固定Vt = 3.08 V时ρxx随Vb与T的变化，对应(A)中黑色虚线。(D) 相同Vt下ρxx随Vb与B⊥的变化。(E) Vb = −3.07 V、Vt = 3.08 V时dV/dI随Idc与B⊥的变化。(F–H) 固定Vt = 1.10 V时与(C–E)对应的测量，对应(A)中白色虚线，其中(H)在Vb = −3.88 V下测得。

　　图2 面内磁场与温度下的演化。(A) B⊥ = 0、B∥ = 100 mT及基温下的ρxx图。(B) B∥ = 350 mT下的同一图。(C) 从(B)中Vt = 1.10 V（红）与2.30 V（蓝）处截取的线扫，浅色为单次测量曲线，深色为以标称值为中心相邻9个Vt的平均。(D) B⊥ = 0、B∥ = 350 mT、Vt = 3.00 V时ρxx随Vb与T的变化。(E) 从(D)中选取的ρxx–T曲线。(F, G) 与(D, E)相同，Vt = 2.30 V。(H, I) 与(D, E)相同，Vt = 1.10 V。CNP为电荷中性点。

　　图3 反常金属的非单调电流依赖。(A) Vt = 3.00 V、B⊥ = 0、B∥ = 350 mT及基温下dV/dI随Vb与Idc的变化，上插图为Vb = −3.05 V处的dV/dI曲线，下插图为由其积分得到的I–V曲线。(B) 与(A)相同条件下、Vb = −3.08 V时dV/dI随Idc与T的变化。(C) (B)中彩色标记温度处的dV/dI–Idc曲线。(D) 由(B)积分得到的I–V曲线。(E) 与(B)相同，Vb = −3.23 V。(F) 从(E)中选取的曲线。(G) 由(E)积分得到的I–V曲线。

　　图4 超导与反常金属的不同磁场尺度。(A) B∥ = 350 mT、Vb = −3.46 V、Vt = 3.25 V及基温下dV/dI随Idc与B⊥的变化。(B) (A)在更小B⊥范围内的放大图。(C) B∥ = 350 mT、Vt = 2.30 V时ρxx随Vb与B⊥的变化。(D) B⊥ = 0、Vt = 2.30 V时ρxx随Vb与B∥的变化。

总结展望

　　该工作在超洁净、高可调的菱方石墨烯中实现了超导与反常金属在相图中的相邻共存，二者仅需小幅调节栅压即可相互切换，为研究反常金属提供了以往薄膜体系所不具备的实验手段。作者逐一分析了外部噪声引起的准粒子激发、接触伪影、逾渗以及堆垛畴壁或应变形成的超导–正常–超导结等外在机制，发现均难以解释全部实验结果，且相同的相边界、临界场层级与非单调电流响应在第二个器件中得到重现。反常金属在Tc以下约五倍温区内电阻与温度无关，增强幅度远超Aslamazov–Larkin涨落修正，提示其源于量子涨落。值得注意的是，该体系正常态面电导可达近1000 e2/h，面电阻远低于库珀对量子电阻RQ ≈ 6.45 kΩ，标准耗散模型预言此时量子相位涨落应被强烈抑制，反常金属的持续存在因而更显反常。

　　研究归纳出任何微观理论都需同时满足的一系列约束，包括饱和电阻与正常态电阻之比约为0.1–0.4、适度直流电流可降低而非增大微分电阻的非单调响应等。未来需借助超流刚度与配对能隙等超越直流输运的测量手段，以区分可动涡旋耗散与序参量振幅涨落这两种微观图像。

　　来源：低维昂维