【原】麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero和Yuan Cao团队--魔角多层石墨烯家族中的稳健超导性

   魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中相关态和超导性的发现为探索相互作用驱动和拓扑现象建立了一个新平台。然而，尽管在莫尔系统中观察到大量相关相，但稳健的超导性似乎是最不常见的，仅在 MATBG 中发现，最近在魔角扭曲三层石墨烯中发现。在这里，报告了超导魔角扭曲四层和五层石墨烯的实验实现，因此将交替扭曲魔角多层石墨烯建立为可靠的莫尔超导体家族。这一发现表明，成员共享的平带在超导性中起着核心作用。我们在平行磁场中的测量，N  = 2 和N  > 2 层结构，这与它们对磁场的轨道响应之间的差异一致。我们的结果扩展了新兴的莫尔超导体家族，为设计新的超导材料平台提供了新的见解和潜在的影响。

Figure 1. 魔角多层石墨烯。(a)扭曲多层石墨烯，在相邻层之间具有交替的扭曲角θ_MN和-θ_MN，其中θ_MN是特定于N层结构的魔角θ_M。(b)在手性极限中，通过简单的三角变换，可以从渐近值 θ_M∞= 2.2°获得任意 N 的θ_MN。(c)莫尔波长λ对扭曲角的依赖性。请注意，我们只考虑在第 n 层和第 (n + 2) 层 (L) 之间具有原子排列的结构，因此可以定义单个莫尔波长。(d-g)，TBG (d)、TTG (e)、T4G (f) 和 T5G (g) 的单粒子能带结构，分别在各自魔角附近的代表角处。所有系统共享的扁平带用灰色进行颜色编码。MATBG 中的平带通过带绝缘体与所有其他色散带隔离，而 N > 2 结构具有与它们共存的额外带。额外的波段由原始的类狄拉克波段或非魔角状 TBG 波段组成，具体取决于 N. h、MATBG 的电阻率ρ与温度 T 曲线（填充因子ν= -2.32）、MATTG (ν= - 2.4 和电位移场 D/ε₀ = -0.44 V nm^-1)、MAT4G (ν= 2.37 和 D/ε₀ = -0.32 V nm^-1) 和 MAT5G (ν = 3.05 和 D/ε₀ = 0.23 V nm-1 ) (N = 2, 3, 4, 5)，显示所有四个系统在各自魔角处的超导跃迁。它们的扭转角对应于 1d-g 中用于计算的相同值，这些值也在 1c 中表示。MAT4G 和 MAT5G 的常态电阻率小于 MATBG 和 MATTG，可能是由于存在额外的色散带。MAT4G 和 MAT5G 显示的数据分别来自设备 4B 和设备 5A。

Figure 2. MAT4G 和 MAT5G 中的稳健超导性。分别显示了设备 4B 和设备 5B 的数据。(a,b)MAT4G 和 MAT5G 的电阻 R_xx 与莫尔填充因子ν和温度T的关系。超导圆顶跨越平坦带的宽密度范围。请注意，在 MATTG、MAT4G 和 MAT5G 中，ν包括平坦带和额外色散带的填充。(c)差分电阻 dV_xx/dI 与 d.c。偏置电流 I 和小的垂直磁场 B_⊥，在 B_⊥ 中显示出Fraunhofer-like oscillations。数据是在分离的顶栅几何结构中测量的，其中中间非门控区域被调谐到电阻状态 (N)，同时保持门控区域 (S) 的超导性，从而形成 SNS Josephson junction。该结跨过器件 4A 和 4B。(d)在 MAT4G 中，在 ν= -2.70 和 D/ε₀ = 0.21 V nm^-1 时，电压 (V) 与电流 (I) 曲线在 T 范围内从 220 mK 到 4 K。(e)在 ν= 3.48 和 D/ε₀ = 0.24 V nm^-1 时在 MAT5G 中进行相同测量。(f)在 MAT4G 中 D/ε₀ = -0.32 V nm^-1 处的 Ginzburg-Landau 相干长度 ξ_GL 与 ν，以及提取的 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 转变温度 T_BKT。它们覆盖在 R_xx 与 ν 和 T 的颜色图上。ξ_GL 在接近最佳掺杂 ν≈ 2.5 时达到约 20 nm 的低值。对于不确定性上限、数据点和不确定性下限，分别以 25%、30% 和 35% 的正常状态电阻进行提取。(g,h)R_xx 与 MAT4G 中的 T 曲线，在 D/ε₀ = 0.23 V nm^-1 (g) 和 D/ε₀ = -0.32 V nm^-1 (h) 时跨越 ν 直到 T = 30 K，显示出尖锐的超导跃迁。曲线的色标分别与 (a)顶部的空穴掺杂 (-3.33 < ν < -1.8) 和电子掺杂 (1.4 < ν < 3.27) 图中显示的比例尺相匹配。

Figure 3. 超导状态的面内磁场依赖性。(a-d)在 ν = -1.74 和 T = 0.07 K (a)，ν = - 3.26 和 T = 0.1 K (b), ν = -3.09 和 T = 0.2 K (c) 和 ν = 2.11 和 T = 0.2 K (d)。MATBG 在其面内临界场中显示出具有双重对称性的各向异性响应，而其他三个系统没有显示出任何各向异性。在 MAT4G（设备图 4B) 和 MAT5G (设备 5B) (g) 中的 (3.25, 0.25 V nm^-1)。数据点表示在零场正常状态电阻的 10%、20% 和 30% 处的恒定电阻轮廓。实线拟合 Ginzburg-Landau 表达式T∝ 1 − αB² ∥ （α是拟合参数）。我们通过将轮廓外推到零温度来找到临界磁场B_c||(0)。B_∥轴上的彩色刻度表示每个阈值对应的标称泡利极限。我们注意到，在 (e) 和(f)中有一些高场重入超导行为的暗示。(h,i)泡利违反率 (PVR)，B_c||(0) 与标称泡利极限之间的比率，在 MAT4G（设备 4B，h）和 MAT5G（设备 5B，i）中的ν。在这两个系统中，PVR 约为 2-3。

Figure 4. 平面内磁场轨道效应。(a)示意图显示了在交替扭曲结构中 B_∥ 下的轨道效应消除。蓝色和红色实线表示具有交替扭转角的石墨烯层，带箭头的环表示相邻层对之间跳跃的动量增强方向相反。对于 N > 2 结构的内层，这会导致平面内轨道效应大大降低。(b)计算的 N 层 MATNG 的轨道 g因子, g_orb。在零和有限 D 处，MATBG 与面内场的耦合度最高，而 N > 2 的系统具有小得多的 g_orb。与 D = 0 的情况相比，有限 D 打破 M_z 并导致增加的 g_orb。(c，f)MATBG (c)、MATTG (d)、MAT4G (e) 和 MAT5G (f) 的 K 和 K' 谷处的费米等值线计算) 在 B_∥ 下的魔角附近。磁场沿水平方向，大小设置为 20 T 以夸大效果。对于 K 和 K' 谷，费米表面的扭曲程度不同。对于 MATBG，这会导致相当大的轨道对破坏效应，而对于 N > 2 结构，这种失真是最小的。

  相关研究工作由麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero和Yuan Cao团队于2022年在线发表于《Nature Materials》期刊上，原文：Robust superconductivity in magic-angle multilayer graphene family。