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研究背景

超導(dǎo)性是指在低溫下電子對(duì)（庫(kù)珀對(duì)）凝聚成一個(gè)宏觀量子態(tài)，表現(xiàn)出零電阻和邁斯納效應(yīng)等特性。超導(dǎo)材料被廣泛應(yīng)用于量子計(jì)算、磁共振成像（MRI）、粒子加速器等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料相比，非傳統(tǒng)超導(dǎo)材料如銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體展示了不同的超導(dǎo)機(jī)制，特別是超導(dǎo)序參量中的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了獨(dú)特的溫度和摻雜依賴性。

近年來(lái)，魔角扭曲石墨烯（MATMG）家族的發(fā)現(xiàn)為研究非常規(guī)超導(dǎo)性提供了新機(jī)遇。MATMG材料在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中展示了豐富的物理現(xiàn)象，包括超導(dǎo)性和自發(fā)對(duì)稱性破缺的關(guān)聯(lián)電子態(tài)，這引起了廣泛的關(guān)注。然而，MATMG超導(dǎo)的具體機(jī)制尚不明確，現(xiàn)有研究主要依賴于電學(xué)輸運(yùn)和掃描隧道譜，缺乏對(duì)超導(dǎo)態(tài)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入探索。

成果簡(jiǎn)介

為了解決這一問(wèn)題，BBN Technologies的 Kin Chung Fong研究者以及哈佛大學(xué) Philip Kim教授團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上發(fā)表了題為“Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors”的最新論文。

該團(tuán)隊(duì)采用射頻反射技術(shù)，成功測(cè)量了TTG超導(dǎo)體的超流剛度（ρs），揭示了非常規(guī)的節(jié)點(diǎn)隙超導(dǎo)性。利用微波諧振器耦合技術(shù)，研究人員能夠通過(guò)測(cè)量TTG樣品的動(dòng)力學(xué)感抗響應(yīng)，準(zhǔn)確地獲取ρs的溫度和摻雜依賴性。結(jié)果顯示，ρs在低溫下呈線性溫度依賴，并且在電流偏置依賴中觀察到非線性邁斯納效應(yīng)，表明超導(dǎo)序參量中存在節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，零溫度下的ρs與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）之間存在線性相關(guān)性，類似于銅氧化物中的上村關(guān)系，暗示該超導(dǎo)性受相干性限制。研究人員的這一發(fā)現(xiàn)為理解MATMG超導(dǎo)性提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，并為進(jìn)一步研究圖形化基超導(dǎo)材料的機(jī)制提供了重要線索。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次在魔角扭曲三層石墨烯（TTG）中測(cè)量了超流剛度（ρs），得到了與節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)性相關(guān)的非常規(guī)超導(dǎo)行為。

（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)射頻反射技術(shù)測(cè)量與微波諧振器耦合的TTG樣品的動(dòng)力學(xué)感抗響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)ρs在低溫下呈線性溫度依賴，并且電流偏置依賴中存在非線性邁斯納效應(yīng)，均表明超導(dǎo)序參量中存在節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

（3）實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步通過(guò)摻雜依賴性研究發(fā)現(xiàn)，零溫度下的ρs與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）呈線性相關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)與銅氧化物中的上村關(guān)系相似，提示超導(dǎo)性受到相干性限制。

圖文解讀

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置及器件表征

圖2：溫度和摻雜依賴的超流剛度

圖3：BKT轉(zhuǎn)變，上村關(guān)系和節(jié)點(diǎn)配對(duì)對(duì)稱性

圖4：非線性邁斯納效應(yīng)

結(jié)論展望

本文通過(guò)超流剛度的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)MATMG展現(xiàn)出非常規(guī)的超導(dǎo)行為，尤其是節(jié)點(diǎn)配對(duì)對(duì)稱性，這與傳統(tǒng)的超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制顯著不同。線性溫度依賴的超流剛度、非線性邁斯納效應(yīng)以及超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與超流剛度之間的線性關(guān)系，表明超導(dǎo)轉(zhuǎn)變并非由庫(kù)珀對(duì)破裂所主導(dǎo)，而是受到相位波動(dòng)的控制。

這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)BCS理論的框架，提示超導(dǎo)性可能與更復(fù)雜的電子相互作用和配對(duì)機(jī)制相關(guān)。此外，研究還為探索石墨烯類材料中的超導(dǎo)性提供了新的方向，尤其是如何通過(guò)控制材料的結(jié)構(gòu)、摻雜和溫度等因素來(lái)調(diào)節(jié)超導(dǎo)態(tài)的相變。總之，本文揭示了超導(dǎo)材料中的非傳統(tǒng)配對(duì)機(jī)制，并為未來(lái)開發(fā)基于強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料的新型超導(dǎo)體提供了寶貴的參考。

文獻(xiàn)信息

Banerjee, A., Hao, Z., Kreidel, M. et al. Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors. Nature 638, 93–98 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08444-3

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