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【研究背景】
石墨烯基高质量二维电子系统因其在超导性研究中的高度可调性，近年来成为研究热点。具体来说，超导性已在电子掺杂和空穴掺杂的扭曲石墨烯莫尔系统中得到了观察；然而，在晶体石墨烯系统中，超导性迄今仅在空穴掺杂的菱形三层石墨烯（RTG）和空穴掺杂的伯纳尔双层石墨烯（BBG）中被观察到。最近的研究表明，由于接近单层WSe
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，BBG中的超导性得到了显著增强。
尽管石墨烯中的固有自旋轨道耦合（SOC）效应可以忽略不计，但通过直接将石墨烯与过渡金属二硫化物层接触，可以通过近邻效应诱导SOC。这种范德华SOC近邻方法已被证明是调控基于石墨烯的系统物理特性的一个重要手段。近邻诱导的伊辛SOC被认为是稳定BBG/WSe
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异质结构中超导状态的关键因素。然而，无论是在石墨烯莫尔系统还是在晶体石墨烯系统中的超导配对机制，仍然是一个悬而未决的研究课题。
为了攻克这一难题，上海交通大学物理与天文学院长聘教轨副教授李听昕、上海交通大学李政道研究所长聘教轨副教授刘晓雪及武汉大学吴冯成教授团队合作并携手在“Nature”期刊上发表了题为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”的最新论文。他们通过静电掺杂在电子掺杂和空穴掺杂的BBG/WSe
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器件中观察到了超导性和一系列味对称性破缺相。通过施加垂直电场，可以调节所观察到的超导性的强度，电子掺杂和空穴掺杂超导性的最大Berezinskii–Kosterlitz–Thouless转变温度分别约为210mK和400mK。
得益于设备中可实现的高垂直电位移场D，首次在晶体石墨烯中观察到了电子掺杂的超导性。空穴掺杂的超导性违反了泡利顺磁极限，这与类伊辛超导体一致。相比之下，尽管在导带中也显著存在近邻诱导的伊辛自旋轨道耦合，但电子掺杂的超导性遵循泡利极限。以上研究结果突显了BBG导带中丰富的物理现象，为进一步研究晶体石墨烯的超导机制及基于BBG的超导器件的开发铺平了道路。
【研究亮点】
1. 实验首次观察到电子掺杂的超导性：通过在BBG/WSe
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系统中应用高垂直电位移场D，首次在晶体石墨烯中观察到了电子掺杂的超导性。这一发现拓宽了超导性在石墨烯基系统中的研究范围，并为进一步研究超导机制提供了新的平台。
2. 近邻诱导的自旋轨道耦合（SOC）效应：尽管石墨烯固有的SOC效应可以忽略不计，通过将石墨烯与过渡金属二硫化物层（如WSe
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）直接接触，可以通过近邻效应诱导显著的SOC。这种范德华SOC近邻方法已被证明是调控基于石墨烯的系统物理特性的一个重要手段。在BBG/WSe
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异质结构中，近邻诱导的伊辛SOC被认为是稳定超导状态的关键因素。
3. 电子和空穴掺杂的可调超导性：通过静电掺杂，在电子掺杂和空穴掺杂的BBG/WSe
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器件中都观察到了超导性，并且通过施加垂直电场，可以调节所观察到的超导性的强度。电子掺杂和空穴掺杂超导性的最大Berezinskii–Kosterlitz−Thouless转变温度分别约为210mK和400mK。
4. 超导性与WSe
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层的关系：研究发现，超导性仅在施加的电场驱动BBG电子或空穴波函数朝向WSe
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层时才会出现，突显了WSe
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层在所观察到的超导性中的重要性。空穴掺杂的超导性违反了泡利顺磁极限，表明其与类伊辛超导体一致；而电子掺杂的超导性则遵循泡利极限，但在导带中也显著存在近邻诱导的伊辛自旋轨道耦合。
【图文解读】
图1 | BBG/WSe
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的相图以及电子和空穴掺杂超导性。
图2 | 空穴掺杂超导的费米面分析。
图3 | 电子掺杂超导的费米面分析。
图4 | 空穴掺杂和电子掺杂超导的面内磁场依赖性。
【结论展望】
本文揭示了在BBG/WSe
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系统中调控超导性的复杂物理现象，这为理解和开发基于石墨烯的超导体提供了重要线索。首先，通过静电掺杂实现了在晶体石墨烯（BBG）中电子掺杂的超导性，这是一个重要的实验突破，拓展了我们对石墨烯超导性质的认识。其次，观察到在大电场下BBG中出现的味对称性破缺相，这与其他石墨烯系统和多层石墨烯的现象相似，暗示了不同超导体间可能存在共通的物理机制。
