美国加州理工学院新发Nature：自旋轨道耦合双层石墨烯中可编程超导性的扭转角调控研究

一、【科学背景】

在强电位移场中，伯纳尔双层石墨烯（BLG）的电子带在布里渊区的拐角处变平，产生各种相关相，自发破坏BLG的对称性。这些相关相位对显式对称破缺扰动高度敏感。科学家发现，诱导这种扰动的一种方法是将BLG放置在过渡金属二硫化物（如二硒化钨（WSe₂））附近。WSe₂引起的自旋-轨道耦合（SOC）扰动改变了相图，显著地使BLG中的超导电性在零磁场下出现，并显著提高临界温度。然而， SOC对BLG和相关石墨烯系统相关相的影响仍然难以捉摸。理论上来讲，诱导SOC可能取决于WSe₂和石墨烯之间的相对扭转角，而在近晶格匹配的范德华材料中，层间相对扭转角是调控莫尔超晶格平带关联现象的关键参数。但是，这种依赖性尚未经过实验研究从而证实。

二、【创新成果】

近期，美国加州理工学院Yiran Zhang研究员、Stevan Nadj-Perg教授团队为解决扭转角调控对二维材料超导性的影响问题，他们以二硒化钨近邻化的伯纳尔双层石墨烯为研究对象，通过实验探究了其中超导电性的 “无波纹” 扭曲调谐以及其他相关阶数。两种材料之间的精确对准可系统地控制诱导伊辛自旋轨道耦合（SOC）的强度，进而深刻改变相图。随着伊辛SOC增加，超导电性在更高的位移场下开始，且临界温度升高，最高达到 0.5 K。研究人员通过调谐来探索伊辛SOC如何改变BLG中的相关相位和新兴超导性。这种方法提供了几个独特的机会：（1）可以精确量化BLG中诱导的伊辛SOC的强度；（2）诱导的SOC对扭曲角度变化的敏感度要低得多，允许精细控制；（3）接近WSe₂不会引起额外的紊乱，从而促进了再现性。如图1所示，研究人员研究了一系列由相同的BLG和WSe₂晶体制成的BLG–WSe₂器件，并将大的BLG薄片分成多块，第一块BLG与WSe₂的θ ≈ 0°，其余几条相对于WSe₂依次扭曲，增量约为6°。

图1 通过BLG和WSe₂之间的界面扭曲实现可编程伊辛SOC；© Springer Nature Limited 2025

图2 扭曲可编程超导相图；© Springer Nature Limited 2025

研究人员利用伊辛SOC强度的精细扭曲角控制，探索了大电位移场下SOC依赖的相关相图。结果表明，具有不同伊辛SOC强度的器件都显示出与强相关性和在零磁场下稳定的超导性相关特性。

图3 向列相重分布和谷间相干性的超导性；© Springer Nature Limited 2025

图4 交织在一起的超高泡利极限违反和向列性；© Springer Nature Limited 2025

在主超导圆顶和强伊辛SOC极限内，研究人员还发现了一种不寻常的相变，其特征是在三角扭曲的费米曲面之间空穴向列的重新分布，并增强了对平面内磁场的弹性。此外，研究人员还发现了两个额外的超导区域，其中一个从谷间相干正常态下降，并显示出超过40的泡利极限违反率，是所有已知超导体中最高的。

该项研究结果提供了对超洁净石墨烯超导体的见解，并强调了在广泛的范德华异质结构中利用无波纹扭曲工程研究充满了潜力，研究以“Twist-programmable superconductivity in spin–orbit-coupled bilayer graphene”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

总而言之，研究人员对BLG中伊辛SOC强度前所未有的控制使其能够系统地探索内在丰富的超导区域。超导性发生在各种费米口袋配置中，值得注意的是，所有超导体对平面内磁场都表现出独特的弹性。研究人员新发现的谷间相干结构显示了迄今为止任何超导体的最高泡利极限违反率值。更一般地说，通过无波纹扭曲诱导可调对称破缺场的方法可以应用于广泛的范德华材料家族，并扩展到SOC之外，包括磁性、电荷序等，这为按需定制独特的物质相开辟了有前景的途径。

文献链接：Twist-programmable superconductivity in spin–orbit-coupled bilayer graphene，2025，https://doi.org/10.1038/s41586-025-08959-3）

本文由LWB供稿。