《科學(xué)》重磅：觀察魔角石墨烯中非常規(guī)超導(dǎo)的關(guān)鍵證據(jù)

隨著“扭角電子學(xué)”的出現(xiàn)——即以魔角扭曲雙層石墨烯中奇異物態(tài)的發(fā)現(xiàn)為代表——凝聚態(tài)物理領(lǐng)域被徹底革新。其中，最激動人心的發(fā)現(xiàn)之一就是超導(dǎo)電性在莫爾體系中的涌現(xiàn)。這種現(xiàn)象與源自超平電子能帶的強(qiáng)電子-電子相互作用緊密相關(guān)。雖然超導(dǎo)現(xiàn)象的存在很快得到證實，但確定其基本性質(zhì)，尤其是超導(dǎo)能隙的對稱性和結(jié)構(gòu)，仍然是一項更具挑戰(zhàn)性且至關(guān)重要的任務(wù)。最近發(fā)表在《科學(xué)》的突破性實驗證據(jù)，證實了莫爾石墨烯，特別是魔角扭曲三層石墨烯中存在節(jié)點超導(dǎo)能隙，為該體系承載著一種非傳統(tǒng)超導(dǎo)形式提供了最確鑿的證據(jù)，將其置于與高溫銅氧化物超導(dǎo)體相同的神秘類別。

確定配對對稱性的探索

超導(dǎo)電性發(fā)生在電子配對形成庫珀對，使電流能夠以零電阻流動。這些庫珀對的穩(wěn)定性由超導(dǎo)能隙 (Δ)來量化，它本質(zhì)上是打破一個庫珀對所需的最小能量。在傳統(tǒng)的超導(dǎo)體中，如金屬單質(zhì)，配對由晶格振動（聲子）介導(dǎo)，導(dǎo)致s波對稱性。這意味著能隙在整個費米面上都是恒定的，在電子態(tài)密度中形成一個平坦底部、光滑的最小值，即全能隙。

然而，在非傳統(tǒng)超導(dǎo)體中——例如高溫銅氧化物——配對機(jī)制被認(rèn)為涉及強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)，從而導(dǎo)致更復(fù)雜、各向異性的能隙對稱性，如d。這些非s波對稱性具有節(jié)點：費米面上能隙能量Δ(k)降為零的點或線。對這些節(jié)點的識別是非傳統(tǒng)超導(dǎo)電性的決定性證據(jù)，因為它直接探測了庫珀對波函數(shù)的對稱性。

實驗方法：隧穿譜與輸運測量

莫爾石墨烯面臨的核心挑戰(zhàn)是其能標(biāo)較小且具有二維特性，這使得傳統(tǒng)的塊體探針難以奏效。關(guān)鍵的突破性實驗依賴于兩種技術(shù)的精密結(jié)合：

1. 隧穿譜：該技術(shù)通常通過掃描隧道顯微鏡（STM）進(jìn)行，或如在關(guān)鍵的莫爾實驗中，采用雙柵極平面結(jié)結(jié)構(gòu)，直接測量材料的電子態(tài)密度（DOS）。隧道結(jié)的微分電導(dǎo) (dI/dV) 與 DOS 成正比。在超導(dǎo)體中，費米能級附近的 DOS 會形成能隙，從而揭示Δ的結(jié)構(gòu)。
2. 電輸運測量：這用于測量材料的電阻。真正超導(dǎo)電性的明確標(biāo)志是低于臨界溫度 (Tc) 時的零電阻。

通過在同一魔角扭曲三層石墨烯器件上進(jìn)行同步的隧穿譜和輸運測量，研究人員能夠無可辯駁地將觀察到的能隙光譜特征與真實的零電阻超導(dǎo)態(tài)聯(lián)系起來。這消除了以往實驗中的歧義，即光譜能隙（也可能是贗能隙）無法被明確關(guān)聯(lián)至真實的超導(dǎo)電性。

節(jié)點能隙的標(biāo)志

最主要的實驗發(fā)現(xiàn)是超導(dǎo) DOS 譜的特征形狀：

• V 形電導(dǎo)：與傳統(tǒng)s波全能隙預(yù)期的平底“U”形不同，魔角扭曲三層石墨烯中的隧穿電導(dǎo) (dI/dV) 在零偏壓附近呈現(xiàn)出明顯的 “V” 形。這種 V 形是節(jié)點能隙在光譜上的標(biāo)志。在節(jié)點超導(dǎo)體中，準(zhǔn)粒子激發(fā)可以存在于任意低的能量（在節(jié)點處），導(dǎo)致 DOS 在費米能級附近與能量呈線性關(guān)系，即DOS(E)∝ |E|。
• Volovik 效應(yīng)與線性溫度依賴性：進(jìn)一步的證據(jù)來自于研究材料屬性在外部條件下的變化。超導(dǎo) DOS 隨著溫度和磁場的增加表現(xiàn)出線性填充行為，這種現(xiàn)象被稱為 Volovik 效應(yīng)。具體來說，節(jié)點超導(dǎo)體的超流密度（與動能電感相關(guān)）在低溫下趨近于T=0時應(yīng)與溫度成比例，ρs(T)∝1-aT。觀察到這種線性依賴關(guān)系，而非全能隙預(yù)期的指數(shù)衰減，有力地證實了節(jié)點序參量的結(jié)論。

這些綜合觀測——V 形隧穿譜、能隙填充的線性溫度依賴性以及 Volovik 效應(yīng)——為魔角莫爾石墨烯中的超導(dǎo)電性由非s波的節(jié)點對稱性支配提供了令人信服且一致的證據(jù)。

對非傳統(tǒng)配對機(jī)制的深遠(yuǎn)影響

節(jié)點超導(dǎo)能隙在莫爾石墨烯中的確立具有深遠(yuǎn)的意義：

• 強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)機(jī)制：節(jié)點能隙對稱性無法用 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 理論中微弱的聲子介導(dǎo)耦合來解釋。它強(qiáng)烈表明莫爾石墨烯中的超導(dǎo)電性是由超平莫爾能帶結(jié)構(gòu)固有的強(qiáng)電子-電子相互作用驅(qū)動的。這種機(jī)制與假設(shè)中的高溫銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體中的奇異配對機(jī)制相似。
• 莫爾超晶格作為量子模擬器：莫爾體系的獨特可調(diào)控性（通過扭角、柵極電壓和應(yīng)變）使其成為一個高度可控的平臺，用于系統(tǒng)地研究競爭和共存量子態(tài)之間復(fù)雜的相互作用。理解節(jié)點對稱性是揭示這種新型關(guān)聯(lián)超導(dǎo)體微觀起源的第一步。
• 邁向高溫超導(dǎo)： 通過提供一個干凈、二維和高度可調(diào)的模型系統(tǒng)，對莫爾石墨烯的研究為支持非傳統(tǒng)配對機(jī)制的一般條件提供了關(guān)鍵的見解。這些知識對于理性設(shè)計能夠在更高、甚至室溫下實現(xiàn)超導(dǎo)的材料這一長期目標(biāo)來說，是無價的——這是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的“圣杯”。

總而言之，魔角扭曲三層石墨烯中節(jié)點超導(dǎo)能隙的直接實驗觀測標(biāo)志著一個里程碑式的時刻。它鞏固了莫爾石墨烯作為非傳統(tǒng)超導(dǎo)主要研究平臺的地位，并提供了一個關(guān)鍵的光譜標(biāo)志，將這種二維材料與最神秘且最有前景的高 Tc 超導(dǎo)體聯(lián)系起來。對這種節(jié)點配對的對稱性和機(jī)制的持續(xù)研究，無疑將指導(dǎo)下一代超導(dǎo)技術(shù)的探索。