魔角扭转三层石墨烯（Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene, MATTG）是一种具有独特扭转堆叠结构的二维材料，因其在超导性、自旋电子学和量子计算等前沿领域的潜在应用而受到广泛关注。

与传统的超导材料相比，MATTG拥有由莫尔平带（moiré flatbands）引发的强关联电子效应，展现出违反Pauli极限、自旋三重态超导等多种新奇物理现象，具备更高的调控自由度和更丰富的量子态。然而，该材料中的超导机制尚不明确，特别是在微观尺度上，超导态与磁有序态之间可能存在的竞争关系仍是研究难点，因此带来了理解其本征基态和调控超导性能的挑战。

有鉴于此，印度塔塔基础研究所Ayshi Mukherjee, Surat Layek，Subhajit Sinha，Mandar M. Deshmukh等合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Superconducting magic-angle twisted trilayer graphene with competing magnetic order and moiré inhomogeneities”的最新论文。该团队基于理论预测，设计并开展了两种互补的电输运实验，揭示了超导态与面内磁有序态之间的竞争关系。他们利用温度和面内磁场对超导开关分布的系统性测量，观察到具有统计显著性的非单调和滞后行为，表明MATTG体系中存在与超导态竞争的磁有序态。同时，由于莫尔晶格弛豫导致的非均匀性，该体系可等效看作一个Josephson结网络，进一步加剧了其超导响应的复杂性。

在临近的正常掺杂区域，研究人员还发现面内磁场诱导的线性正磁阻和明显的磁滞行为，为磁有序态的存在提供了直接证据。此外，他们还通过Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）理论估算了系统的超流刚度约为0.15 K，并观察到BKT跃迁的拓展特性。这些结果不仅为理解MATTG中超导起源提供了重要线索，也为探索自旋谷自由度与强关联超导之间的耦合机制提供了新的实验依据。

研究亮点

（1）实验首次在魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）超导态中，通过电输运和开关测量，发现了与超导态竞争的面内磁性序，提供了该系统中非传统超导机制的直接证据。

（2）实验通过测量超导态中开关电流的统计分布，观察到随温度和面内磁场变化的非单调及迟滞响应，揭示了存在竞争性的磁有序状态，且系统表现出由晶格松弛引起的莫尔不均匀性，形成约瑟夫森结网络。

（3）实验在超导相邻的正常导电区中，检测到随面内磁场变化的迟滞且线性正磁阻，进一步支持了面内磁性序的存在。

（4）通过类似Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）转变的分析，首次估算出MATTG的超流刚度约为0.15 K，揭示了由莫尔结构不均匀性导致的BKT转变展宽现象。

图文解读

结论展望

本文利用开关测量方法对魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）中的超导态以及其邻近正常态的磁阻行为进行了表征。该技术为研究系统中空间莫尔不均匀性以及竞争序提供了直接洞察，这些信息通过温度和面内磁场下的开关响应与磁阻表现出来。

尽管作者展示了磁性竞争序的直接证据，但其本质显然源自一种能与平行磁场耦合的序。正常态下的磁滞响应可能来自局域磁矩。作者的实验结果支持将MATTG描述为一种具有局域磁矩的重费米子系统。此外，这些发现有助于限制可能由间谷相干序诱导的相关磁态的形式。类似的现象也在具有超导性和磁有序共存的复杂氧化物系统（如LAO/STO 和 KTaO₃）中被观察到。

鉴于此，作者在MATTG系统中的研究不仅对石墨烯“扭曲电子学”（twistronics）领域具有重要意义，同时也具有更广泛的物理学价值。展望未来，该系统有望被用于探究从正常磁态向包含共存磁有序的超导态的量子相变过程。

来源：能源学人

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原标题：《【复材资讯】魔角石墨烯，再登Nature Materials！》