[论文解读] Possible superconductivity in multi-layer-graphene by application of a gate voltage

A. Ballestar, P. Esquinazi+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2012

Graphene research and applications参考文献 23被引用 3

一句话总结

本研究在高达约17 K的温度下，通过栅压调控实现多层石墨烯（MLG）的超导态，其机制为电场调控载流子密度。结合输运测量与表面电势显微镜技术，作者发现载流子掺杂存在空间非均匀性，从而触发类似三维的超导转变，且该转变受平行与垂直磁场抑制，表明存在通过栅压诱导的三维路径连接本征二维超导区域的丝状超导通道。

ABSTRACT

The carrier density in tens of nanometers thick graphite samples (multi-layer-graphene, MLG) has been modified by applying a gate voltage ($V_g$) perpendicular to the graphene planes. Surface potential microscopy shows inhomogeneities in the carrier density ($n$) in the sample near surface region and under different values of $V_g$ at room temperature. Transport measurements on different MLG samples reveal that under a large enough applied electric field these regions undergo a superconducting-like transition at $T \lesssim 17$ K. A magnetic field applied parallel or normal to the graphene layers suppresses the transition without changing appreciably the transition temperature.

研究动机与目标

• 探索在无化学插层的本征多层石墨烯（MLG）中，电场诱导超导态的产生。
• 确定栅压是否能诱导足够高的载流子密度，从而在低温下触发MLG的超导转变。
• 研究超导转变对磁场的响应及其各向异性，以推断超导态的维度与性质。
• 澄清所观测到的转变是否源于本征二维超导区域，或由静电掺杂形成的三维连接路径所致。

提出的方法

• 对厚度达数十纳米的MLG样品施加垂直栅压（Vg），以调控石墨烯平面内的载流子密度。
• 利用表面电势显微镜在不同Vg条件下，于室温下测绘载流子密度（n）的空间非均匀性。
• 测量不同栅压下随温度变化的电阻，以检测类似超导的转变行为。
• 在石墨烯平面平行与垂直方向施加磁场，以探究超导态的性质与维度。
• 比较不同磁场取向下电阻行为的差异，以识别轨道效应或对称性破缺效应。
• 分析电阻极小值及磁场演化行为，推断存在连接本征二维超导区域的丝状三维超导路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅通过栅压是否能在无化学掺杂或插层的本征多层石墨烯中诱导超导态？
• RQ2 在负栅压下观测到的约17 K处类似超导的转变，其起源是什么？
• RQ3 为何该转变在磁场响应中表现出微弱各向异性，这对其超导态的维度有何启示？
• RQ4 载流子密度的空间非均匀性如何影响MLG中超导路径的形成与稳定性？
• RQ5 三维连接路径在所观测到的超导行为中起何种作用？其与本征二维超导区域有何本质区别？

主要发现

• 在-100 V栅压下，多层石墨烯样品于T ≤ 17 K时观测到类似超导的转变，表明临界温度接近17 K。
• 表面电势显微镜揭示了室温下载流子密度（n）的空间非均匀性，表明静电掺杂存在非均匀性。
• 在石墨烯平面平行与垂直方向施加磁场均抑制了该转变，且临界温度未发生显著偏移，表明磁场响应微弱各向异性。
• 在法向磁场下观测到电阻的再entrant行为，暗示高场下可能存在轨道效应或Andreev反射概率增强。
• 小垂直磁场（0.1 T）即能显著抑制转变，且各向异性微弱，表明三维丝状路径的影响强于纯二维超导区域。
• 结果支持该假设：栅压通过诱导三维超导路径连接本征二维超导区域，其三维转变温度更接近插层石墨炔化合物的值，而非二维超导态。