北京大学物理学院卢晓波、林熙课题组在菱方石墨烯中观测到磁场驱动的绝缘体-超导转变

在传统认知中，磁场通常是超导的“天敌”：一旦施加磁场，超导态往往迅速被破坏。然而，能否反过来利用磁场“打开”超导，甚至让一个原本绝缘的材料变成超导体？这是凝聚态物理中的一个重要问题。近日，北京大学物理学院卢晓波、林熙课题组与合作者在菱方多层石墨烯中观测到一种罕见现象：通过施加面内磁场，可以将一个绝缘态驱动为超导态。这一发现不仅挑战了传统超导理论，也为探索新型非常规超导提供了重要线索。该研究成果以“Magnetic-field-driven insulator-superconductor transition in rhombohedral graphene”，于5月1日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

在BCS理论框架下，超导通常源于自旋单态的库珀对。由于磁场会破坏自旋配对，多数超导体在磁场下会被抑制甚至完全破坏。因此在二维体系中观察到的超导-绝缘体转变通常是由于磁场削弱超导序参量幅度或破坏长程相位相干性所导致。在本工作中，研究团队制备了菱方六层石墨烯双栅器件，在极低温条件下系统了测量该体系的量子相图。他们首先在零磁场下观测到了空穴端出现的四个低电阻相SC1~SC4（图1b），微分电阻的测量展现出清晰的非线性转变峰（图1c），电阻的变温测量也呈现出随温度的急剧下降，证实了这四个态均为超导态。值得注意的是这四个超导态可以维持到面内磁场为1T，违背了弱耦合BCS理论所描述的泡利极限。

图1（a）器件结构示意图。（b）零磁场下的纵向电阻随着载流子浓度(n)和电位移场(D)的变化。（c）超导SC1区域微分电阻随着直流电流和垂直磁场的变化

此外，在靠近电中性点（n=0）处观测到了两个关于电场对称的金属相，在该金属相中往返扫描垂直磁场和电位移场都出现了回滞现象，表明该金属相具有丰富的磁电效应（图2）。

图2 金属相中磁电回滞效应

更为有趣是，当施加了一个额外的有限面内磁场，电子端出现了一个新的电阻低谷区域SC5，它具备超导态特征（图3a—d）。通过该区域的量子振荡数据分析其简并度，表明它是自旋极化的超导。而在零磁场下，该相呈现出电阻峰，变温测量可以拟合得到其热激发的能隙大约为0.14meV，表明其具有绝缘体的特征（图3e—f）。该绝缘态可能来源于能带绝缘体，也可能来源于被杂质或者无序等钉扎效应抑制了载流子的关联相。由磁场驱动的绝缘体到超导的转变在二维材料体系中极为罕见，表明了该体系复杂的电子相互作用和同位旋对称性破缺对该体系超导配对机制的显著影响。

图1（a）面内磁场为0.8T时的纵向电阻相图。（b）SC5区域纵向电阻随着载流子浓度和垂直磁场的变化。（c—d）SC5区域超导相的表征。（e—f）零磁场下绝缘态能隙的拟合

该工作不仅丰富了菱方多层石墨烯的量子相图，也为探索自旋极化超导及其微观起源以及磁电效应提供了新的实验基础。同时进一步确立了菱方石墨烯作为一个高度可调控的平台，为在范德瓦尔斯材料中构建超越BCS理论框架的非常规超导体开辟了新的途径。

北京大学量子材料科学中心博士研究生谢键、霍子昊为本文的共同第一作者，卢晓波、林熙、霍子昊为本文的共同通讯作者。