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魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）是一种二维材料，通过将两层石墨烯以特定角度堆叠，形成了莫尔超晶格。在约1.05°的扭转角度下，MATBG呈现出平带能带结构，这为强电子-电子相互作用提供了理想的条件。MATBG在超导、拓扑绝缘、奇异金属等相态中表现出重要特性，成为近年来研究的热点。与传统超导材料如铜氧化物和铝等相比，MATBG在非常规超导性方面具有重要的优势，尤其是在其平带结构中，量子几何效应可能在超导性中起到关键作用。然而，MATBG的非常规配对机制尚不完全明了，且由于二维样品的尺寸和低载流子密度，传统的超导性表征方法在MATBG中难以应用，导致其研究面临挑战。为了解决这一问题，麻省理工学院 Pablo Jarillo-Herrero（曹原导师） & William D. Oliver教授团队、Joel Î-j. Wang等人在Nature期刊上发表了题为“Superfluid stiffness of magic-angle twisted bilayer graphene”的最新论文。该团队设计并制备了一种基于MATBG的器件，利用直流传输和微波电路量子电动力学测量技术，成功测量了MATBG的超流刚度及其动感电感的温度、直流电流和微波功率依赖性。通过这些测量，研究人员发现，MATBG的超流刚度远大于费米液体理论预测的值，与理论和实验中指出的量子几何效应一致，表明其超导性受到量子几何的显著影响。特别地，超流刚度的温度依赖性呈幂律行为，这与传统的各向同性BCS模型相悖，支持了MATBG具有各向异性的超导能隙的观点。此外，团队还观察到超流刚度与直流电流和微波电流之间存在二次依赖关系，符合金兹堡-兰道理论的预测。这一发现进一步验证了MATBG作为非常规超导体的潜力，并展示了量子几何在超导性中的作用。通过这种新型的直流-微波测量平台，该研究不仅推进了MATBG的超导性研究，也为其他二维超导材料的研究提供了新的实验方法。
（1）实验首次通过动感电感测量，得到了MATBG超导体的超流刚度（Ds）以及其对温度、直流偏置电流和微波功率的依赖关系。（2）实验通过微波电路量子电动力学与直流传输相结合的测量平台，研究了MATBG超导体的超流刚度，发现其远超传统费米液体理论预期，与量子几何效应的理论预测一致。（3）实验结果表明，超流刚度的温度依赖性遵循幂律规律，这与传统的各向同性BCS模型不符，进一步揭示了MATBG中的非常规超导性。（4）通过分析超流刚度的温度和电流依赖性，实验推测MATBG具有各向异性的超导能隙，并且量子几何效应在超导性中起到了重要作用。（5）实验观察到超流刚度对直流电流和微波电流的二次依赖性，这一现象与金兹堡-兰道理论的预期相符。
图 3：温度依赖的共振频率变化，源于超流刚度的变化
本研究通过开发并展示了一种直接测量超流刚度的平台，为探索MATBG（魔角扭曲双层石墨烯）中的非常规超导性提供了重要的实验依据。实验表明，MATBG的超流刚度比传统费米液体理论预测的值大一个数量级，且其温度依赖性遵循幂律关系，远离常规超导模型。这一现象表明MATBG可能具有各向异性的超导能隙，且量子几何效应在超导性中扮演了重要角色。研究结果为平带超导体中的多带量子几何效应提供了新的理解，也提示了非常规超导性与量子几何之间的潜在联系。尽管目前尚难区分费米液体框架和量子几何框架对超流刚度的具体贡献，但本研究的发现为未来的理论研究提供了方向，尤其是在深入理解平带超导机制、量子几何效应对超导性质的影响方面，具有重要启示。该平台为进一步研究原子薄材料中的超导特性，尤其是其他非常规超导体系的探索，提供了有力工具。Tanaka, M., Wang, J.Îj., Dinh, T.H. et al. Superfluid stiffness of magic-angle twisted bilayer graphene. Nature 638, 99–105 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08494-7🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
