魔角扭转三层石墨烯中超导与面内磁序竞争及莫尔不均匀性的直接证据

研究人员针对魔角扭转三层石墨烯(MATTG)中非常规超导性(SC)的微观机制不明的问题，通过电输运测量和约瑟夫森结(JJs)网络分析，首次发现面内磁序与超导态的竞争关系，并揭示莫尔不均匀性导致的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相变展宽现象。该研究为理解二维材料中关联电子态提供了新视角，发表于《Nature Materials》。

　　

论文解读

在量子材料研究领域，魔角扭转石墨烯家族因其可调控的平带电子结构和非常规超导性(SC)成为焦点。其中，魔角扭转三层石墨烯(MATTG)因其独特的Dirac能带与莫尔平带共存特性，被预测可能实现自旋三重态超导等新奇物态。然而，其超导微观机制长期存在争议——理论认为超导相周围可能存在多种竞争电子序，但实验证据匮乏。更复杂的是，MATTG中由晶格弛豫导致的"莫尔孤子"和"扭旋子"等结构不均匀性，使得传统测量手段难以揭示本征物理图像。

为解决这一难题，由Mandar M. Deshmukh领衔的研究团队在《Nature Materials》发表突破性成果。他们创新性地将约瑟夫森结(JJs)开关统计测量与面内磁场响应分析相结合，首次在MATTG中捕获到超导态与面内磁序直接竞争的实验证据，并量化了超流刚度J_s≈0.15 K这一关键参数。

关键技术方法
研究采用双栅极电学测量系统，通过独立调控电荷密度n和垂直电场D/ε₀实现相空间扫描。主要技术包括：1) 基于10,000次重复测量的JJs开关电流统计，区分宏观量子隧穿(MQT)和热激活(TA)过程；2) 面内磁场B_∥依赖的蝴蝶形磁滞回线测量；3) 低电流区非线性指数α(T)分析，结合BKT理论估算J_s；4) 使用六方氮化硼封装样品保证界面质量。

研究结果

非单调开关行为揭示竞争序
在最优空穴掺杂(v=-2.42)区域，开关电流均值I_s^mean呈现反常的非单调温度依赖：低于200 mK时随温度升高而增大，暗示磁序被抑制后超导增强；高于200 mK后转为下降，符合常规超导行为。这种"再进入"特征与重费米子体系中磁序-超导竞争现象高度相似。

面内磁场响应的对称性破缺
当施加±1T面内磁场时，开关电流分布呈现显著方向依赖性，且伴随50%的正磁阻效应。邻近超导相的正常区域更观测到蝴蝶形磁滞回线，这些特征在900 mK以上消失，明确指向磁有序的存在。值得注意的是，这种磁响应与LaAlO₃/SrTiO₃界面等强关联体系相似。

莫尔不均匀性导致BKT展宽
通过V∝I^α(T)关系分析发现，超流刚度J_s呈现连续变化而非理论预测的陡变，且最大值仅达0.15 K。这种"软化"的超导序参量与系统中莫尔孤子形成的约瑟夫森结阵列模型相符，说明结构无序显著影响了二维超导体的拓扑相变过程。

结论与意义
该研究通过多维度实验证实：MATTG中超导态与面内磁序存在能量尺度约200 mK的竞争关系，这种竞争可能源于自旋-能谷相干态；同时，晶格弛豫导致的莫尔不均匀性使系统表现为约瑟夫森结网络，导致BKT相变展宽。这些发现不仅为理解石墨烯莫尔超导体提供了关键实验约束，更建立了与复杂氧化物异质界面超导体系的物理联系。特别地，观测到的零场超导二极管效应(1.2%不对称性)为未来设计拓扑量子器件提供了新思路。研究展现的开关统计方法，也为探测其他二维材料中的隐匿电子序提供了普适性方案。