河北
在常規超導體中，庫珀對的形成是由聲子介導的。然而，在魔角石墨烯等莫爾超材料中，超導相的配對機制仍然是一個未解之謎，尚未明確是由電子相互作用、聲子還是兩者的組合驅動的。本文通過研究扭曲雙層石墨烯（tBLG）中的超導電性，特別是其如何受到介電環境的影響，旨在揭示這一機制。tBLG因其獨特的電子結構和在魔角（約1.05°）下展現出的超導和關聯絕緣態而備受關注。實驗通過將tBLG放置在具有大且可調介電常數的SrTiO3（STO）襯底上，通過原位調節介電常數，研究了超導電性的變化。
實驗采用了“切割堆疊”方法和干轉移技術來制備tBLG器件，其中tBLG被放置在STO襯底上，并通過薄層六方氮化硼（hBN）與STO隔離。STO襯底是一種近順電體，其介電常數隨溫度變化，在低溫下可達到25,000。通過施加電壓到STO背柵，可以控制STO襯底的極化相位，從而調節有效介電環境。每個tBLG器件還耦合了一個石墨頂柵，用于獨立控制總電荷載流子密度n。實驗在稀釋制冷機中進行，測量了不同背柵電壓Vbg和頂柵電壓Vtg下的縱向電阻Rxx，并研究了超導穹頂（superconducting dome）的變化。
圖1展示了設備D1（θ=1.05°，hBN間隔層厚度d=3nm）在1.7K下的縱向電阻Rxx隨外磁場B和頂柵電壓Vtg的變化。在B=0V時，觀察到在ν=0和4處的帶絕緣體，以及在ν=1, ±2和3處的關聯絕緣態（CI）。這些CI態在Landau扇形圖中從整數填充處起源，表明設備具有高質量。通過進一步在稀釋制冷機中測量（基溫20mK），發現通過調節STO背柵的介電常數，可以顯著影響超導穹頂。圖1e展示了Rxx隨Vtg和Vbg的變化，顯示出超導穹頂的完整調節，表明隨著STO襯底介電常數的增加，超導性被強烈抑制。這一發現表明，超導性在tBLG中強烈依賴于介電環境，與理論模型預測一致，即配對機制源于庫侖相互作用，并受到等離子體、電子-空穴對和縱向聲學聲子的屏蔽。
圖2詳細展示了設備D1在20mK下超導穹頂的調節。通過改變Vbg（15V, 5V, -5V），測量了歸一化電阻Rxx/RN隨Vtg和溫度T的變化。圖2a-c中的顏色圖展示了不同Vbg下的超導穹頂，其中實線表示超導轉變溫度Tc。隨著Vbg的減小，超導穹頂的高度和寬度均顯著減小，表明Tc和臨界磁場Bc均受到強烈抑制。圖2d和e進一步展示了Tc和Bc隨Vtg在不同Vbg下的變化，顯示出隨著STO襯底介電常數的增加，Tc和Bc均單調下降。這一結果支持了超導性在tBLG中受到電子相互作用和介電環境共同影響的觀點。
圖3展示了設備D2（θ=1.4°，d=4.3nm）在20mK下的磁輸運數據。與設備D1不同，設備D2在魔角之外，預期其能帶更為分散。圖3a和b分別展示了Rxx隨Vtg和B的變化，以及Rxx隨Vtg和Vbg的相圖。與hBN/SiO2上的大角度設備不同，設備D2在B=0V時未觀察到任何CI態，但在ν≈-2.5處出現了一個小的超導區域。這一超導區域通過dV/dI曲線隨電流I和溫度T的變化得到了確認（圖3c和d），顯示出超導性的典型特征。這一發現表明，在大角度下，盡管電子相互作用被雙重削弱（由于高介電常數襯底和更大的帶寬），超導性仍然可以出現，但CI態更為敏感，被完全抑制。
圖4進一步分析了設備D2中超導狀態隨STO襯底介電常數的變化。圖4a展示了不同Vbg下Tc隨Vtg的變化，顯示出隨著Vbg的減小，超導區域逐漸縮小并最終消失。圖4b則展示了最大Tc隨估計的有效介電常數εeff的變化，顯示出隨著εeff的增加，Tc單調下降。這一結果與設備D1的觀察一致，進一步支持了超導性在tBLG中受到電子相互作用和介電環境共同影響的觀點。理論模型預測，隨著介電常數的增加，電子-電子相互作用的屏蔽效應增強，導致Tc下降，與實驗結果相符。
來源：FE圖南工作室
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