研究背景
超導體的宏觀量子特性可以通過超流剛度（ρs）來表征，該量描述了改變宏觀量子波函數(shù)相位所需的能量。在非常規(guī)超導體中，例如銅氧化物超導體，ρs的低溫行為與傳統(tǒng)超導體顯著不同，這是由于來自動量空間中無能隙點（節(jié)點）的準粒子激發(fā)。近期對魔角扭曲石墨烯家族的深入研究揭示了除了超導態(tài)外，還存在與自發(fā)破缺對稱性相關的強關聯(lián)電子態(tài)，這為研究ρs提供了機會，從而揭示其潛在的非常規(guī)超導性。為了解決這一問題，哈佛大學 Philip Kim教授、美國BBN科技Kin Chung Fong 等人在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors”的最新論文。本研究報告了在魔角扭曲三層石墨烯（TTG）中測量ρs的結果，揭示了非常規(guī)的節(jié)點隙超導性。通過利用射頻反射技術測量與微波諧振器耦合的超導TTG的動力學感抗響應，作者發(fā)現(xiàn)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，這兩者都表明超導序參量中存在節(jié)點結構。此外，摻雜依賴性顯示零溫度下的ρs與超導轉變溫度（Tc）之間存在線性相關性，這與銅氧化物中的上村關系類似，暗示超導性受到相干性限制。作者的結果為TTG中的節(jié)點超導性提供了強有力的證據(jù)，并對這些基于石墨烯的超導體的機制提出了強有力的約束。
研究亮點
（1）實驗首次測量了魔角扭曲三層石墨烯（TTG）的超流剛度（ρs），得到了表明非常規(guī)節(jié)點隙超導性的結果。通過射頻反射技術，結合微波諧振器對TTG超導樣品的動力學感抗響應進行測量，揭示了ρs在低溫下的線性溫度依賴性，并觀察到了非線性的邁斯納效應，這些結果表明超導序參量中存在節(jié)點結構。（2）實驗通過溫度和摻雜依賴性分析，得到了ρs與超導轉變溫度（Tc）之間的線性關系。該現(xiàn)象類似于銅氧化物中觀察到的上村關系，暗示TTG的超導性受到相干性限制。此外，摻雜依賴性分析進一步揭示了超導狀態(tài)的演化特征，為超導機制提供了重要信息。（3）實驗通過分析BKT轉變、上村關系以及節(jié)點配對對稱性，發(fā)現(xiàn)TTG中的超導性符合節(jié)點配對的非常規(guī)超導特征。這為理解魔角扭曲石墨烯中的超導機制提供了新的視角，支持了超導性與強關聯(lián)電子效應之間的關系。（4）實驗通過測量非線性邁斯納效應，進一步驗證了TTG中的超導性與非常規(guī)節(jié)點配對相關。這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)的BCS超導理論不符，表明TTG超導態(tài)可能存在不同于常規(guī)超導的機制。
圖文解讀
圖3：BKT轉變，上村關系和節(jié)點配對對稱性
結論展望
本文的超流剛度測量為魔角扭曲多層石墨烯（MATMG）中的超導性特征提供了深刻的見解。多種跡象的匯聚，包括超流剛度的線性溫度依賴性抑制、非線性邁斯納效應的觀察及其溫度依賴性，提供了強有力的證據(jù)，表明超導配對具有節(jié)點對稱性。零溫度下超流剛度與超導轉變溫度之間的線性縮放關系暗示了一種不尋常的情形，即超導轉變受到相位波動的控制，而非庫珀對的破裂。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
