曹原导师最新《Nat. Nanotech》：在魔角石墨烯中实现开关超导性

01 研究背景

扭转双层石墨烯形成了具有AA和AB/BA堆叠交替区域的摩尔超晶格。在1.1°的魔角附近，AA区域的层间杂化导致了重归一化的平坦能带，从而抑制了电子动能，使强库仑相互作用占据主导地位。魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的实验实现导致了许多令人惊讶的结果，包括发现超导性、相关绝缘态、轨道磁性和量子反常霍尔效应，以及奇怪的金属行为。在MATBG之外，一个新的孪晶领域已经开始探索其他范德华晶体中摩尔纹超晶格的影响。研究人员已经研究了小扭曲角的氮化硼（BN）扭曲双层中的摩尔纹，由于硼和氮离子的离子偶极转移，导致了铁电性（FE）和滞后行为。令人惊讶的是，从夹在Bernal-stacked AB双层石墨烯的BN层的排列中，也观察到了双摩尔系统中的磁滞和双稳态行为。在这项工作中，研究者提出了在MATBG中发现了双稳态的滞后行为，其中顶部和底部的BN结晶边缘彼此紧密对齐30°。

02 研究成果

超导的电气控制对于纳米级超导电路至关重要，包括低温存储器元件、超导场效应晶体管（FET）和栅极可调谐量子比特。超导场效应晶体管通过连续调谐载流子密度进行工作，但尚未报道可作为新型低温存储器元件的双稳态超导场效应晶体管。最近，在Bernal-stacked 双层石墨烯中发现了栅极滞后和由此产生的双稳态，并与其绝缘的六方氮化硼栅极电介质对齐。在这里，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）Dahlia R. Klein，Li-Qiao Xia，Pablo Jarillo-Herrero等报告了在具有排列的氮化硼层的魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中观察到的这种相同的滞后现象。这种双稳态行为与MATBG的强相关电子系统共存，而不会破坏其相关的绝缘体或超导状态。这个全范德华平台能够在这个丰富的系统的不同电子状态之间进行可信赖的切换。为了说明这种新方法，研究者利用栅极电压或电位移场在MATBG的超导、金属和相关绝缘体状态之间展示了可重复的双稳态切换。这些实验开启了将这种新的可切换摩尔超导体广泛纳入高度可调谐的超导电子器件的潜力。相关研究工作以“Electrical switching of a bistable moiré superconductor”为题发表在国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》上。

03 图文速递

图1. 器件表征

该堆叠是使用标准的切割和堆叠干转移范德瓦尔斯组件（方法）制造的。图1a中示意性地显示了最终的装置，它被蚀刻成具有金属（Cr/Au）顶栅和局部几层石墨底栅的霍尔条几何形状。在范德华组装过程中，顶部和底部BN片的长而尖锐的结晶学边缘被有意地对准彼此和封装的MATBG堆叠，导致两个BN层大约以30°为模数对齐（补充图1）。

低温传输测量证明了高质量扭曲的双层石墨烯器件在接近魔角θ≈1.1°时的预期特征。在图1b中，四探针纵向电阻Rxx被绘制成在基础混合室温度为40 mK时使用局部石墨底栅（VBG）的载流子密度的函数。填充因子ν指的是每个MATBG摩尔纹超晶格单元格的电子或空穴的数量；ν=±4指的是每个晶胞分别有四个电子或空穴的摩尔纹带完全填充。传输数据显示了与电荷中和点（CNP，ν=0）、带状绝缘峰（BI，ν=±4）和相关半金属/绝缘峰（CS/CI，ν=1、±2、3）相对应的突出电阻特征。此外，强大的超导（SC）区域出现在摩尔单元格的半满处，ν=±（2+δ）。从CNP和ν=2的峰值可以提取1.03°的扭曲角（方法）。

引人注目的是，当顶层栅极被用来调整器件中的载流子密度时，MATBG的传输特征有一个很大的滞后性转变，这取决于VTG的扫频方向（图1c）。当栅极电压最初被扫过时，有一个很大的区域，栅极似乎不工作，随后是一个预期的行为区域，MATBG的载流子密度正在变化。这一观察结果与之前在双排列的贝纳尔双层石墨烯器件中看到的栅极滞后现象相同。

图2. 纵向阻力的双栅极图

为了进一步研究他们的MATBG器件中这种出现的滞后行为，研究者进行了Rxx作为两个栅极电压的函数的双栅极图。他们展示了以VTG为慢轴从负电压扫到正电压（图2a）或从正电压扫到负电压（图2b）的效果。当VTG最初被改变时，传输特征逐渐演变，表明栅极没有像标准场效应晶体管（FET）中预期的那样将载流子完全引入MATBG层中。在进一步调制VTG后，该器件突然进入熟悉的状态，即在MATBG中载流子密度恒定时出现的电阻峰值，在双栅极平面内遵循直线轨迹。使用图2c（从图2a转换）和2d（从图2b转换）中的转换轴，可以更容易地观察到这种行为的变化。转换定义为：next = （εBN/e）（VTG/dTG + VBG/dBG）， Dext/ε0 = （εBN/2）（VTG/dTG - VBG/dBG） 。在顶层栅极以预期的数量向MATBG器件添加载流子的区域中，传输特征遵循垂直线轨迹，这与之前的观察结果一致，即MATBG中的强相关电子系统与位移场Dext无关。

图3. 鲁棒超导性的表征

根据研究者在图2中的双栅极测量，他们得出结论，在他们的器件中出现的滞后现象与MATBG的强相关行为同时存在。为了证实这种共存性，他们研究了他们的器件在其两个双稳态配置中的一个的超导性。在图3a中，他们绘制了四探针Rxx作为底层栅极和温度的函数。在ν=±（2+δ）处出现了两个超导穹顶，与之前的MATBG现象学一致。使用临界温度为正常状态电阻的50%的定义（补充图4），他们得出空穴和电子穹顶的最大Tc分别为2.15 K（ν = -2.62）和0.83 K（ν = 2.32）。

在ν=±（2+δ）时，电子和空穴两边的大区域的超导性仍然很突出（图3b）。使用底层栅极，他们可以在固定的载流子密度下将系统停在任一区域。在图3c中，他们显示了在ν=-2.48时，空穴侧的微分电阻dVxx/dI是直流电流IDC和外加垂直磁场B⊥的函数。他们发现，超导临界电流在B⊥=0时达到最大值，并随着B⊥的增加在接近±100 mT而下降到零。他们在ν=2.57的电子侧发现了类似的结果（图3d），临界电流在B⊥=±40 mT时消失。这些数据是MATBG中持续存在的强大超导性的标志，重要的是，它们不受共存的迟滞行为的影响。

图4. MATBG状态的电转换与超导性

滞后现象在两个相反的扫频方向之间循环时持续存在。在图4a中，Rxx显示了当顶栅VTG从±6 V来回扫过6个痕迹。一个明显的双稳态性出现了：向上和向下的痕迹出现在相同的位置，仅取决于扫频方向。此外，应用顶栅的历史也影响着底栅的扫频。他们可以通过设置VBG=0，应用VTG=±6 V持续几秒钟，然后将VTG设回0来准备系统的任一状态。选择这个符号是为了在每次扫描开始时保持Dext的相同符号。如图4b所示，当这一序列在六个轨迹上重复时，系统再次是双稳态的。

现在他们已经建立了双稳态和强相关的MATBG行为在单个器件中的共存，他们可以利用这一特性在不同的电子状态之间进行可逆切换。在图4c中，在设置VTG=0之前，他们首先用VTG=-6V的脉冲来准备系统。然后他们将应用的底层栅极固定在-1.4V，将系统置于空穴侧（ν=-2-δ）超导阶段。值得注意的是，在施加VTG = 6 V的脉冲并将顶部栅极设置为0后，他们展示了Rxx从这个超导状态切换到一个稳定的金属状态（图4c）。在金属状态下暂停后，他们再施加VTG=-6 V的第二个脉冲，使器件返回到超导状态。为了强调这个程序的稳定性，他们还进行了VTG=±6 V的脉冲交替序列，在固定的底层栅极电压下，在双稳态超导和金属态之间重复切换系统（图4d）。

此外，他们还证明了在固定的施加载流子密度下，只用应用位移场就能在MATBG的不同电子相之间进行切换的能力。采用前面所述的next和Dext/ε0的定义，他们将系统固定在next = - 8.37×1011 cm-2。接下来，使用Dext/ε0 = 0.189 V nm-1和-0.379 V nm-1的交替脉冲，显示了在超导和电阻相关绝缘体状态之间切换的能力（图4e）。这种可重复性反映了该系统中存在的鲁棒双稳态行为，并说明了其作为范德华平台的超导开关的效用。

04 结论与展望

总而言之，研究者的成果引入了一个高度可调谐的全范德华平台，在低载流子密度的强相关电子系统的一系列电子状态之间进行双稳态电气切换。最近，利用MATBG与BN电介质的图案化静电门在摩尔超导器件方面取得了进展，实现了约瑟夫逊结，包括磁约瑟夫逊结、超导二极管和超导量子干涉器件。这些由单一材料平台构建的范德华异质结构，绕过了不同薄膜之间的界面上经常出现的应变和无序问题。将这里展示的双稳态电气开关与可配置的约瑟夫逊结的几何形状结合起来，将能够对电子状态进行额外的控制旋钮，为新一代可开关的莫里森超导电子器件铺平道路。

审核编辑 ：李倩