[论文解读] Observation of superconductivity in bilayer graphene/hexagonal boron nitride superlattices

Satoshi Moriyama, Yoshifumi Morita+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2019

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 35被引用 18

一句话总结

本研究展示了在双层石墨烯与六方氮化硼（hBN）组成的范德华异质结中，通过电场调控实现的超导性。这些异质结形成莫尔超晶格结构。通过原位静电掺杂，研究人员观察到临界温度最高达14 K的超导穹顶，表明通过贝列津-科斯特利茨-索利斯（Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT）机制实现涡旋束缚，从而为二维材料中原子层超导性开辟了新途径。

ABSTRACT

A class of low-dimensional superconductivity (SC), such as most of "atomic-layer" SCs, has survived only under certain circumstances, implying a role of the substrate. Moreover, in some recent SC discoveries at heterogeneous interfaces, SC was buried in bulk solids and ex situ. Genuine atomic-layer SC is difficult to access. Here we report a novel route to atomic-layer SC in graphene superlattices. Our device comprises stacked non-twisted bilayer graphene (BLG) and hexagonal boron nitride (hBN), i.e., hBN/BLG/hBN Moiré superlattices. Upon in situ electrostatic doping, we observe an SC dome with a critical temperature up to $T_{ m{BKT}} = 14 m{K}$, corresponding to the confinement of vortices. We believe that SC via doping Dirac materials is ubiquitous in condensed matter and that this study paves a way toward the design of a new SC family.

研究动机与目标

• 探索由双层石墨烯和六方氮化硼组成的原子级薄、二维异质结中超导性的出现。
• 研究是否可通过具有莫尔周期性的范德华异质结中的静电掺杂来诱导并控制超导性。
• 确定这些工程化二维超晶格中超导性的临界温度和机制。
• 建立一个用于设计和研究二维材料中本征原子层超导体的新平台。

提出的方法

• 制备对齐、无扭转的双层石墨烯与六方氮化硼层的hBN/BLG/hBN异质结，以形成莫尔超晶格。
• 采用原位静电栅压调控，将载流子密度调节至狄拉克点并进入超导区域。
• 测量电输运特性，包括电阻和微分电导，以识别超导转变。
• 利用贝列津-科斯特利茨-索利斯（Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT）理论分析超导穹顶和涡旋解束缚行为，以提取临界温度。
• 采用高质量六方氮化硼封装，以最小化无序并增强双层石墨烯系统的相干性。
• 系统性地改变栅压和温度，绘制超导相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过原位、可控的静电掺杂在双层石墨烯/hBN异质结中诱导出超导性？
• RQ2 此类二维超晶格中可实现的最高临界温度是多少？其超导转变由何种机制主导？
• RQ3 莫尔超晶格势场如何影响双层石墨烯中库珀对的配对机制和相干性？
• RQ4 所观测到的超导性是否源于二维界面的本征性质，还是由基底或体相效应所介导？
• RQ5 是否可在定义明确的原子级薄异质结中实现并稳定超导穹顶？

主要发现

• 通过贝列津-科斯特利茨-索利斯（Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT）机制确定，hBN/BLG/hBN异质结中观察到的超导性临界温度最高可达14 K。
• 通过原位静电栅压调控，超导穹顶可实现电控调制，表明存在可由栅压调控的超导相。
• 超导转变与涡旋解束缚行为一致，支持二维超导性中的BKT机制。
• 所观测到的超导性出现在一个洁净、封装的二维系统中，无序程度极低，表明配对具有本征性质。
• 14 K的临界温度是迄今报道的二维范德华异质结中本征原子层超导体的最高值之一。
• 结果表明，可通过异质结工程和电控手段在狄拉克材料中实现超导性，为新型二维超导体家族的构建开辟了道路。