加州理工团队发现零磁场下的石墨烯超导性，借此提升超导体系的转变温度，有望催生双层石墨烯超导器件

做科研是否需要直觉？著名华裔物理学家李政道曾对国外媒体表示，大意是有时做研究需要一点直觉。

一年前，上海交大校友、加州理工学院博士生张怡然也“凭直觉”定下了一个石墨烯课题。前不久，相关论文发表于 Nature 主刊。

图 | 张怡然（来源：张怡然）

他表示：“我们首次在石墨烯超导体系中实现了超导转变温度的显著提升, 为制作更加稳定、更加高度可调的石墨烯超导器件奠定了坚实基础。”

研究中，张怡然在最简单稳定的 Bernal 堆叠双层石墨烯上放置二硒化钨（WSe 2 ）, 通过近邻效应在双层石墨烯中引入自旋轨道耦合（spin-orbit coupling）。

他发现 BLG-WSe2 异质结构能够显著地促进超导性能，不仅超导转变温度 Tc 可以提升一个数量级，超导电性也不再依赖于面内磁场，并且超导电性在相图中占据了很大的相空间。

同时，其还发现 BLG-WSe2 的相图以及超导关于电位移场，有着很强的非对称性。这表明从二硒化钨近邻得到的 Ising 自旋轨道耦合，在超导库珀配对中起着至关重要的作用。

（来源：Nature）

谈及相图关于电位移场的非对称性，张怡然说：“当有较大的垂直电位移场时，Bernal 双层石墨烯能在电中性点产生带隙，同时能带边缘能够产生电子态密度高的平带，高态密度则能产生强电子的关联。”

在垂直电场的作用下，Bernal 双层石墨烯的波函数也会极化到一层，当仅一侧放置 WSe2 时，石墨烯成为研究电子强关联和近邻自旋轨道耦合的理想平台。

期间，张怡然等人发现得到的相图，具备相对于电位移场的强不对称性，这暗示着 Ising 自旋轨道耦合，在 BLG-WSe2 相图中起着关键作用。

而对于出现在零磁场的超导，张怡然表示：“我们发现超导电性只出现在正电位移场的相图中。通过改变两个栅极电压，我们探索了完整相图并看到相比起没有 WSe2 的本征双层石墨烯，BLG-WSe2 相图在零磁场展现了一个宽阔的超导区域。”

最令人感到意外的是，通过变温电输运测量，他们观测到 BLG-WSe2 超导临界温度，比本征石墨烯中的 Tc 高了一个数量级，借此证实了超导相的稳定性。

至于费米面的量子振荡，张怡然解释称，本征石墨烯的优点在于它非常的干净，所以能产生很清晰的量子振荡来分析费米面。

研究中，他和所在团队发现 BLG-WSe2 的超导的正常态，是自旋能谷对称性破缺的，其中有两个自旋能谷被主要填充。同时，超导的范围和这个对称破缺相的范围很接近，这暗示着两者具备一定相关性。

对于奇特的面内磁场响应，他表示这指的是在自选轨道耦合的作用下，超导配对的自旋性质有可能会被改变。其发现，在相变边界的超导临界磁场远远超过了泡利极限，但是进一步掺杂的超导可以用泡利极限来描述，这也意味超导的面内临界磁场是掺杂可调的。

综上，张怡然认为该研究是石墨烯超导实验领域的又一实质性进步。对于应用前景，他坦言：“这是一个关于基础科学的实验凝聚态物理，离直接的广泛应用比较遥远。但是确实可以拓展应用到其他研究当中。”

目前，他已经尝试把 WSe2 与双层石墨烯结合，发现这种手段能够拓展到多层石墨烯中，进而发现具备探讨其性质以及提升超导的可能。

此外，和其他奇特的石墨烯结构相比，双层石墨烯在自然条件下是非常稳定的。理论来讲，这种结构稳定的优越性在于，能够通过材料生长的手段来批量生产 BLG-WSe2 这样的超导器件，所以张怡然非常看好这些奇特的物理现象的量产能力和应用前景。

另一方面，上述体系同时拥有超导和自旋轨道耦合，当提到 WSe2 与双层石墨烯时，人们很自然会联想到拓扑量子信息。鉴于石墨烯本身干净的优点，他相信在未来人们会考虑用 BLG-WSe2 来构建马约拉纳零能模。

（来源：Nature）

对于本次课题的初衷，张怡然表示，近几年对于凝聚态物理来说，一个重要发现是石墨烯中的强关联现象和超导现象。从 2018 发现莫尔石墨烯到 2021 年发现本征石墨烯超导，这些丰富并且奇异的物理现象吸引了学界的广泛关注。

摩尔石墨烯需要通过扭转来进行制备，本征石墨烯相对而言是更简洁、更干净的实验体系，便于人们对其中的强关联现象进行深层理解与应用。

然而，本征石墨烯的的超导转变温度 Tc 相对较低（Tc 大约为 100mK），这给相关研究造成了一定局限性。

研究中，张怡然最初打算用双层石墨烯作为参照物，来尝试测量电容顺便做电输运测量。在读文献时，他看到在本征双层石墨烯中，需要面内磁场才能产生超导。

于是，他开始思考如果加入自旋轨道耦合会怎么样？因为自选轨道耦合本身就是一种等效磁场，那么加入 WSe2 之后，强关联相的响应如何？以及是否能在零磁场看到超导？

张怡然说：“在实验开始之前，我和导师 教授讨论实验的可行性。当时我们了解到本征双层石墨烯的超导相对脆弱，我的导师认为加入 WSe2 不太可能让我们更容易观测到超导，所以并没有对这个课题抱有太大希望。”

而张怡然认为，强关联体系是一个复杂的问题，说不准加入 WSe2 会对其中的物理产生巨大的改变，所以就比较坚定地去做尝试。“事实证明我的直觉是正确的，这个开题的过程也让我更深地体会到，坚持与直觉在研究中的重要性。”他 说当然，这种直觉往往基于深厚的学术积累。

在定下课题之后，张怡然开始进入实验阶段。他把器件用稀释制冷机冷却，然后调栅极电压，接着果然在零磁场看到了超导。

由于实验原因，对于第一个器件他没有做详细测量。后来，他立刻制冷第二个器件，并意外发现了拥有 WSe2 的双层石墨烯超导温度的显著提升。之后通过几周的详细测量，并和理论合作者探讨之后，张怡然正式开始撰写论文。

最终，相关论文以《自旋轨道接近双层石墨烯的增强超导性》（）为题发在 Nature 上，张怡然是第一作者，加州理工学院史蒂文·纳吉-佩尔格（）担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature）

其表示，该研究确实为石墨烯超导领域打开了不少的可能性。之前提到自旋轨道耦合，对于石墨烯超导的提升起着决定性作用。 事实上，自旋轨道耦合的强度也和 WSe2 与石墨烯之间的转角有关。所以，后续张怡然将系统性地研究超导性质随着自旋轨道耦合的变化，以便更好地理解超导提升的机理。

同时，他也会将本征多层石墨烯与 WSe2 结合，借此加强对于其他强关联现象的理解。另外，稳定干净的双层石墨烯也有利于制作超导器件比如约瑟夫森结等，基于此他也将探索更多的器件应用潜力。

（来源：Nature）

据介绍，张怡然出生在湖北省十堰市，六岁时随着父母来到上海生活。2014 年，他开始在上海交通大学致远学院读本科。

他说：“从高中以来一直对物理感兴趣，所以决定加入交大致远学院物理方向。学院的科研氛围非常浓厚，有幸从本科二年级开始就加入交大凝聚态物理实验室进行二维材料的实验研究，正是因为本科的这些经历促使我继续攻读博士。”

在交大的四年里，他也获得过国家奖学金、上海市优秀毕业生等荣誉。有一年本科暑假期间，他来到美国进行暑期研究。

其表示：“在加州理工学院的两次暑期研究经历让我爱上了这里。目前我在美国加州理工学院攻读物理学博士学位，今年是博士五年级，师从 教授进行二维材料的量子输运测量，已经在 Nature、Science 等期刊上发表论文多篇。打算再过一年博士毕业后继续博士后的研究，并继续从事实验凝聚态物理及其相关方向。”

参考资料：

1.Zhang, Y., Polski, R., Thomson, A. et al. Enhanced superconductivity in spin–orbit proximitized bilayer graphene. Nature 613, 268–273 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05446-x

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