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研究背景

超導性是指在低溫下電子對（庫珀對）凝聚成一個宏觀量子態(tài)，表現(xiàn)出零電阻和邁斯納效應等特性。超導材料被廣泛應用于量子計算、磁共振成像（MRI）、粒子加速器等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的超導材料相比，非傳統(tǒng)超導材料如銅氧化物和鐵基超導體展示了不同的超導機制，特別是超導序參量中的節(jié)點結(jié)構(gòu)，導致了獨特的溫度和摻雜依賴性。

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

成果簡介

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

該團隊采用射頻反射技術(shù)，成功測量了TTG超導體的超流剛度（ρs），揭示了非常規(guī)的節(jié)點隙超導性。利用微波諧振器耦合技術(shù)，研究人員能夠通過測量TTG樣品的動力學感抗響應，準確地獲取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，表明超導序參量中存在節(jié)點結(jié)構(gòu)。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，零溫度下的ρs與超導轉(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，暗示該超導性受相干性限制。研究人員的這一發(fā)現(xiàn)為理解MATMG超導性提供了強有力的證據(jù)，并為進一步研究圖形化基超導材料的機制提供了重要線索。

研究亮點

（1）實驗首次在魔角扭曲三層石墨烯（TTG）中測量了超流剛度（ρs），得到了與節(jié)點超導性相關(guān)的非常規(guī)超導行為。

（2）實驗通過射頻反射技術(shù)測量與微波諧振器耦合的TTG樣品的動力學感抗響應，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，均表明超導序參量中存在節(jié)點結(jié)構(gòu)。

（3）實驗進一步通過摻雜依賴性研究發(fā)現(xiàn)，零溫度下的ρs與超導轉(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，提示超導性受到相干性限制。

圖文解讀

圖1：實驗裝置及器件表征

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)點配對對稱性

圖4：非線性邁斯納效應

結(jié)論展望

本文通過超流剛度的測量，發(fā)現(xiàn)MATMG展現(xiàn)出非常規(guī)的超導行為，尤其是節(jié)點配對對稱性，這與傳統(tǒng)的超導配對機制顯著不同。線性溫度依賴的超流剛度、非線性邁斯納效應以及超導轉(zhuǎn)變溫度與超流剛度之間的線性關(guān)系，表明超導轉(zhuǎn)變并非由庫珀對破裂所主導，而是受到相位波動的控制。

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

文獻信息

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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