第一作者：Myungchul Oh, Kevin P. Nuckolls, Dillon Wong

通讯作者：Ali Yazdani

通讯单位：美国普林斯顿大学

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04121-x

背景介绍

魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)中超导电性和相关绝缘体的出现提高了其配对机制不同于传统超导体的诱人可能性，如巴丁-库珀-徐瑞弗( BCS )理论所描述。然而，最近的研究表明，即使库仑相互作用被部分屏蔽，超导电性仍然存在。这表明，MATBG中的配对在性质上可能是常规的，是由于其平带的态密度(DOS)很大的结果。

本文亮点

1. 将隧道和Andreev反射光谱与扫描隧道显微镜(STM)相结合，以观察MATBG中非常规超导性的几个关键实验特征。

2. 本工作发现，低于转变温度Tc的隧穿谱与传统的s波超导体不一致，而与具有各向异性配对机制的节点超导体相似。本工作观察到隧穿间隙ΔT远远超过平均场BCS比(2ΔT/kBTc~25)和Andreev反射光谱提取的间隙ΔAR(2ΔAR/kBTc~6)之间存在较大差异。

3. 本工作发现，即使超导电性被抑制，隧穿间隙仍然持续存在，表明其从赝间隙相中出现。此外，当MATBG与六方氮化硼(hBN)取向时，没有赝能隙和超导电性。这些发现和在此报告的其他观察为MATBG中的超导电性的非BCS机制提供了有力的证据。

图文解析

图1. 超导MATBG隧穿间隙的扫描隧穿光谱研究

要点：

1、在毫开尔文温度下，本工作观察到DT- STS中的特征归因于部分带填充处的级联跃迁，但它们在能量上比在更高温度下观察到的特征(T>4K)显得更弱和更宽，这可能与高熵同位旋涨落有关。

2、本工作提出，超导MATBG隧穿间隙的密度依赖关系通过dI/dV (Vs=0V)作为图中Vg的函数凸显出来。作者观察到两个间隙相之间有明显的跃迁，这与输运研究中MATBG的相图一致，其中一个位于ν=-2处的相关绝缘体(CI)跃迁为持续存在于-3<ν<-2的超导体。

3、本工作绘出了每个器件中测量到的ν=-2C I (红曲线)和-3<ν<-2超导体(蓝曲线)的隧穿间隙。输运实验中观测到的-3<ν<-2隧穿间隙明显大于kBTc，比MATBG p-n结中观测到的面内隧穿间隙大一个数量级(可能由于该结的掺杂梯度，侧向p-n结只探测CI附近超导穹顶的边缘，而不是最优掺杂)。

图2. MATBG的点接触光谱和Andreev反射

要点：

1、由于CIs和超导体在dI/dV (Vs=0V)中都表现出抑制超导，本工作需要互补信息来区分这两个相。本工作通过降低样品上方的尖端高度进行PCS，直到尖端与样品表面发生点接触，然后测量两端尖端-样品。

2、本工作发现，与输运研究一致，绝缘态对弱的面外磁场B的应用不敏感。相反，PCS - ZBC在- 3<ν< -2之间显示出增强的强度，随着B的增加而被抑制，此掺杂范围内的超导电性一致。

3、图中PCS G的电压-偏压依赖关系为超导电性提供了更直接的证据。图2C-D。光谱表明Andreev反射，其中来自金属尖端的入射电子被反射为空穴，Cooper对则传播到超导样品中(图2a)。这导致样品在低偏压下电导增强，超导时出现“过电流”。

图3. 隧道和Andreev反射谱曲线拟合

要点：

1、STS和PCS为MATBG中超导电性的各向异性配对机制提供了补充证据。此外，这些测量建立了两个不同的能量尺度。低能STS谱(图3a)显然与各向同性的s波配对对称性不相容，最好的符合这样的模型需要引入非物理大的准粒子展宽。

2、通常MATBG上的STS光谱在零能量处有有限的电导，但在零偏压处也观察到了零电导的V型谱(图1g)。这些STS谱类似于节块超导体的准粒子DOS，至于具有各向异性间隙函数的较高角动量配对。

3、如上所述，当不存在相参超导电性时，Andreev反射消失，ΔAR和Andreev过剩电流都消失在Tc和Bc 以上。相比之下，当相干超导电性消失在Tc以上和阱高于Bc时，STS间隙ΔT仍然存在。

图4. 空穴掺杂MATBG的赝隙状态和相图

要点：

1、图4a中的测量表明，赝隙相中的光谱形状仍然非常尖锐，与样品超导时的光谱形状惊人地相似。当ν = -2 CI被抑制到3T以下时，在- 3<ν<-2的大部分掺杂范围内，赝能隙仍然存在。

2、STS在零磁场和高达3T的密度依赖关系表明，当与价带相关的奇点与EF重叠时，在无相参超导电性的情况下出现了尖锐的赝能隙。

3、但是，考虑到赝能隙和超导相中STS间隙的形状非常相似，这种间隙也可能是由B>Bc和T>Tc的非相干对的形成所驱动的。无论起源如何，产生赝能隙的关联显然与相参超导电性的发生是相容的。

图5. 非超导MATBG上的DT-STS和DT-PCS对准hBN

要点：

1、通过对与hBN取向的MATBG的研究，进一步了解了MATBG的超导电性和赝能隙相。值得注意的是，在MATBG样品中，输运实验没有发现与hBN很好匹配的超导电性。在考察hBN排列的作用时，STM研究尤为有利，因为它们可以直接可视化和区分石墨烯-石墨烯(G-G)和石墨烯-hBN (G-hBN)莫尔结构。

2、本工作发现，这些图像显示了G-G摩尔的AA点和G-BN摩尔的碳硼区域之间的完美对齐。这表明，当两个莫尔长度尺度相近时，与hBN对齐的MATBG有发生莫尔尺度非公度-公度转变的倾向。

3、器件C上的DT-STS和DT-PCS表明，与hBN的对准极大地改变了MATBG的电子特性。与我们在CNP的未对准样品中观察到的半金属行为相反，在AAb位点中心获得的STS在Dirac点由于亚晶格对称性断裂而显示出间隙(包含库仑充电效应)，由此产生的MATBG在CNP的绝缘行为直接用PCS来探测。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04121-x