6月19日，上海交通大学物理与天文学院副教授李听昕课题组、李政道研究所副教授刘晓雪课题组，首次在电子掺杂的单晶石墨烯中观测到超导电性，对于理解晶体石墨烯及转角石墨烯系统的超导机理、设计制备基于石墨烯系统的高质量新型超导量子器件等具有重要意义。相关研究发表于《自然》。

超导现象是凝聚态物理学中里程碑式的发现之一。2018年，有关魔角双层石墨烯的研究首次在石墨烯系统中观察到超导电性，此后，研究者们在转角多层石墨烯，以及无需转角的单晶石墨烯中也观测到了超导电性，而石墨烯中超导与平带之间的关系、超导的配对机制等，至今仍是领域内备受关注的重要科学问题。

研究团队通过优化样品制备方法，成功制备出高质量双层石墨烯与二硒化钨异质结样品，通过栅极静电调控，揭示了该系统中空穴掺杂超导随位移电场和载流子浓度变化的完整相图，并在电子掺杂的情况也观察到超导态，这是在单晶石墨烯中首次观察到电子掺杂的超导电性。空穴端和电子端的超导态强度均可通过外加的垂直位移电场进行有效调节，实验上测量到的最高超导转变温度分别约为450 mK和300 mK，这也是目前在单晶石墨烯系统中观察到超导转变温度的最高记录。 

样品结构示意图和光学显微镜照片。图片来源于《自然》

研究人员进一步分析发现，在较高的位移电场下，双层石墨烯在空穴掺杂和电子掺杂时均出现了一系列自发对称性破缺态，这些态的出现与能带的范霍夫奇点以及电子-电子相互作用相联系。空穴掺杂和电子掺杂的超导的正常态均对应于费米面为部分极化的情况。

通过详细对比双层石墨烯中电子掺杂超导和空穴掺杂超导的性质，研究团队发现，在选取的超导转变温度、超导临界垂直磁场等超导性质类似的情况下，空穴掺杂超导和电子掺杂超导展现了截然不同的平行磁场依赖性。预示着二硒化钨对双层石墨烯中超导的增强效果可能不仅仅来自于近邻效应引入的Ising自旋轨道耦合相互作用。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07584-w