01 研究背景

扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯形成了具有AA和AB/BA堆疊交替區(qū)域的摩爾超晶格。在1.1°的魔角附近，AA區(qū)域的層間雜化導(dǎo)致了重歸一化的平坦能帶，從而抑制了電子動能，使強(qiáng)庫侖相互作用占據(jù)主導(dǎo)地位。魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致了許多令人驚訝的結(jié)果，包括發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性、相關(guān)絕緣態(tài)、軌道磁性和量子反常霍爾效應(yīng)，以及奇怪的金屬行為。在MATBG之外，一個(gè)新的孿晶領(lǐng)域已經(jīng)開始探索其他范德華晶體中摩爾紋超晶格的影響。研究人員已經(jīng)研究了小扭曲角的氮化硼（BN）扭曲雙層中的摩爾紋，由于硼和氮離子的離子偶極轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了鐵電性（FE）和滯后行為。令人驚訝的是，從夾在Bernal-stacked AB雙層石墨烯的BN層的排列中，也觀察到了雙摩爾系統(tǒng)中的磁滯和雙穩(wěn)態(tài)行為。在這項(xiàng)工作中，研究者提出了在MATBG中發(fā)現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)的滯后行為，其中頂部和底部的BN結(jié)晶邊緣彼此緊密對齊30°。

02 研究成果

超導(dǎo)的電氣控制對于納米級超導(dǎo)電路至關(guān)重要，包括低溫存儲器元件、超導(dǎo)場效應(yīng)晶體管（FET）和柵極可調(diào)諧量子比特。超導(dǎo)場效應(yīng)晶體管通過連續(xù)調(diào)諧載流子密度進(jìn)行工作，但尚未報(bào)道可作為新型低溫存儲器元件的雙穩(wěn)態(tài)超導(dǎo)場效應(yīng)晶體管。最近，在Bernal-stacked 雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了柵極滯后和由此產(chǎn)生的雙穩(wěn)態(tài)，并與其絕緣的六方氮化硼柵極電介質(zhì)對齊。在這里，美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）Dahlia R. Klein，Li-Qiao Xia，Pablo Jarillo-Herrero等報(bào)告了在具有排列的氮化硼層的魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中觀察到的這種相同的滯后現(xiàn)象。這種雙穩(wěn)態(tài)行為與MATBG的強(qiáng)相關(guān)電子系統(tǒng)共存，而不會破壞其相關(guān)的絕緣體或超導(dǎo)狀態(tài)。這個(gè)全范德華平臺能夠在這個(gè)豐富的系統(tǒng)的不同電子狀態(tài)之間進(jìn)行可信賴的切換。為了說明這種新方法，研究者利用柵極電壓或電位移場在MATBG的超導(dǎo)、金屬和相關(guān)絕緣體狀態(tài)之間展示了可重復(fù)的雙穩(wěn)態(tài)切換。這些實(shí)驗(yàn)開啟了將這種新的可切換摩爾超導(dǎo)體廣泛納入高度可調(diào)諧的超導(dǎo)電子器件的潛力。相關(guān)研究工作以“Electrical switching of a bistable moiré superconductor”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Nanotechnology》上。

03 圖文速遞

圖1. 器件表征

該堆疊是使用標(biāo)準(zhǔn)的切割和堆疊干轉(zhuǎn)移范德瓦爾斯組件（方法）制造的。圖1a中示意性地顯示了最終的裝置，它被蝕刻成具有金屬（Cr/Au）頂柵和局部幾層石墨底柵的霍爾條幾何形狀。在范德華組裝過程中，頂部和底部BN片的長而尖銳的結(jié)晶學(xué)邊緣被有意地對準(zhǔn)彼此和封裝的MATBG堆疊，導(dǎo)致兩個(gè)BN層大約以30°為模數(shù)對齊（補(bǔ)充圖1）。

低溫傳輸測量證明了高質(zhì)量扭曲的雙層石墨烯器件在接近魔角θ≈1.1°時(shí)的預(yù)期特征。在圖1b中，四探針縱向電阻Rxx被繪制成在基礎(chǔ)混合室溫度為40 mK時(shí)使用局部石墨底柵（VBG）的載流子密度的函數(shù)。填充因子ν指的是每個(gè)MATBG摩爾紋超晶格單元格的電子或空穴的數(shù)量；ν=±4指的是每個(gè)晶胞分別有四個(gè)電子或空穴的摩爾紋帶完全填充。傳輸數(shù)據(jù)顯示了與電荷中和點(diǎn)（CNP，ν=0）、帶狀絕緣峰（BI，ν=±4）和相關(guān)半金屬/絕緣峰（CS/CI，ν=1、±2、3）相對應(yīng)的突出電阻特征。此外，強(qiáng)大的超導(dǎo)（SC）區(qū)域出現(xiàn)在摩爾單元格的半滿處，ν=±（2+δ）。從CNP和ν=2的峰值可以提取1.03°的扭曲角（方法）。

引人注目的是，當(dāng)頂層?xùn)艠O被用來調(diào)整器件中的載流子密度時(shí)，MATBG的傳輸特征有一個(gè)很大的滯后性轉(zhuǎn)變，這取決于VTG的掃頻方向（圖1c）。當(dāng)柵極電壓最初被掃過時(shí)，有一個(gè)很大的區(qū)域，柵極似乎不工作，隨后是一個(gè)預(yù)期的行為區(qū)域，MATBG的載流子密度正在變化。這一觀察結(jié)果與之前在雙排列的貝納爾雙層石墨烯器件中看到的柵極滯后現(xiàn)象相同。

圖2. 縱向阻力的雙柵極圖

為了進(jìn)一步研究他們的MATBG器件中這種出現(xiàn)的滯后行為，研究者進(jìn)行了Rxx作為兩個(gè)柵極電壓的函數(shù)的雙柵極圖。他們展示了以VTG為慢軸從負(fù)電壓掃到正電壓（圖2a）或從正電壓掃到負(fù)電壓（圖2b）的效果。當(dāng)VTG最初被改變時(shí)，傳輸特征逐漸演變，表明柵極沒有像標(biāo)準(zhǔn)場效應(yīng)晶體管（FET）中預(yù)期的那樣將載流子完全引入MATBG層中。在進(jìn)一步調(diào)制VTG后，該器件突然進(jìn)入熟悉的狀態(tài)，即在MATBG中載流子密度恒定時(shí)出現(xiàn)的電阻峰值，在雙柵極平面內(nèi)遵循直線軌跡。使用圖2c（從圖2a轉(zhuǎn)換）和2d（從圖2b轉(zhuǎn)換）中的轉(zhuǎn)換軸，可以更容易地觀察到這種行為的變化。轉(zhuǎn)換定義為：next = （εBN/e）（VTG/dTG + VBG/dBG）， Dext/ε0 = （εBN/2）（VTG/dTG - VBG/dBG） 。在頂層?xùn)艠O以預(yù)期的數(shù)量向MATBG器件添加載流子的區(qū)域中，傳輸特征遵循垂直線軌跡，這與之前的觀察結(jié)果一致，即MATBG中的強(qiáng)相關(guān)電子系統(tǒng)與位移場Dext無關(guān)。

圖3. 魯棒超導(dǎo)性的表征

根據(jù)研究者在圖2中的雙柵極測量，他們得出結(jié)論，在他們的器件中出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象與MATBG的強(qiáng)相關(guān)行為同時(shí)存在。為了證實(shí)這種共存性，他們研究了他們的器件在其兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)配置中的一個(gè)的超導(dǎo)性。在圖3a中，他們繪制了四探針Rxx作為底層?xùn)艠O和溫度的函數(shù)。在ν=±（2+δ）處出現(xiàn)了兩個(gè)超導(dǎo)穹頂，與之前的MATBG現(xiàn)象學(xué)一致。使用臨界溫度為正常狀態(tài)電阻的50%的定義（補(bǔ)充圖4），他們得出空穴和電子穹頂?shù)淖畲骉c分別為2.15 K（ν = -2.62）和0.83 K（ν = 2.32）。

在ν=±（2+δ）時(shí)，電子和空穴兩邊的大區(qū)域的超導(dǎo)性仍然很突出（圖3b）。使用底層?xùn)艠O，他們可以在固定的載流子密度下將系統(tǒng)停在任一區(qū)域。在圖3c中，他們顯示了在ν=-2.48時(shí)，空穴側(cè)的微分電阻dVxx/dI是直流電流IDC和外加垂直磁場B⊥的函數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)臨界電流在B⊥=0時(shí)達(dá)到最大值，并隨著B⊥的增加在接近±100 mT而下降到零。他們在ν=2.57的電子側(cè)發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果（圖3d），臨界電流在B⊥=±40 mT時(shí)消失。這些數(shù)據(jù)是MATBG中持續(xù)存在的強(qiáng)大超導(dǎo)性的標(biāo)志，重要的是，它們不受共存的遲滯行為的影響。

圖4. MATBG狀態(tài)的電轉(zhuǎn)換與超導(dǎo)性

滯后現(xiàn)象在兩個(gè)相反的掃頻方向之間循環(huán)時(shí)持續(xù)存在。在圖4a中，Rxx顯示了當(dāng)頂柵VTG從±6 V來回掃過6個(gè)痕跡。一個(gè)明顯的雙穩(wěn)態(tài)性出現(xiàn)了：向上和向下的痕跡出現(xiàn)在相同的位置，僅取決于掃頻方向。此外，應(yīng)用頂柵的歷史也影響著底柵的掃頻。他們可以通過設(shè)置VBG=0，應(yīng)用VTG=±6 V持續(xù)幾秒鐘，然后將VTG設(shè)回0來準(zhǔn)備系統(tǒng)的任一狀態(tài)。選擇這個(gè)符號是為了在每次掃描開始時(shí)保持Dext的相同符號。如圖4b所示，當(dāng)這一序列在六個(gè)軌跡上重復(fù)時(shí)，系統(tǒng)再次是雙穩(wěn)態(tài)的。

現(xiàn)在他們已經(jīng)建立了雙穩(wěn)態(tài)和強(qiáng)相關(guān)的MATBG行為在單個(gè)器件中的共存，他們可以利用這一特性在不同的電子狀態(tài)之間進(jìn)行可逆切換。在圖4c中，在設(shè)置VTG=0之前，他們首先用VTG=-6V的脈沖來準(zhǔn)備系統(tǒng)。然后他們將應(yīng)用的底層?xùn)艠O固定在-1.4V，將系統(tǒng)置于空穴側(cè)（ν=-2-δ）超導(dǎo)階段。值得注意的是，在施加VTG = 6 V的脈沖并將頂部柵極設(shè)置為0后，他們展示了Rxx從這個(gè)超導(dǎo)狀態(tài)切換到一個(gè)穩(wěn)定的金屬狀態(tài)（圖4c）。在金屬狀態(tài)下暫停后，他們再施加VTG=-6 V的第二個(gè)脈沖，使器件返回到超導(dǎo)狀態(tài)。為了強(qiáng)調(diào)這個(gè)程序的穩(wěn)定性，他們還進(jìn)行了VTG=±6 V的脈沖交替序列，在固定的底層?xùn)艠O電壓下，在雙穩(wěn)態(tài)超導(dǎo)和金屬態(tài)之間重復(fù)切換系統(tǒng)（圖4d）。

此外，他們還證明了在固定的施加載流子密度下，只用應(yīng)用位移場就能在MATBG的不同電子相之間進(jìn)行切換的能力。采用前面所述的next和Dext/ε0的定義，他們將系統(tǒng)固定在next = - 8.37×1011 cm-2。接下來，使用Dext/ε0 = 0.189 V nm-1和-0.379 V nm-1的交替脈沖，顯示了在超導(dǎo)和電阻相關(guān)絕緣體狀態(tài)之間切換的能力（圖4e）。這種可重復(fù)性反映了該系統(tǒng)中存在的魯棒雙穩(wěn)態(tài)行為，并說明了其作為范德華平臺的超導(dǎo)開關(guān)的效用。

04 結(jié)論與展望

總而言之，研究者的成果引入了一個(gè)高度可調(diào)諧的全范德華平臺，在低載流子密度的強(qiáng)相關(guān)電子系統(tǒng)的一系列電子狀態(tài)之間進(jìn)行雙穩(wěn)態(tài)電氣切換。最近，利用MATBG與BN電介質(zhì)的圖案化靜電門在摩爾超導(dǎo)器件方面取得了進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了約瑟夫遜結(jié)，包括磁約瑟夫遜結(jié)、超導(dǎo)二極管和超導(dǎo)量子干涉器件。這些由單一材料平臺構(gòu)建的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，繞過了不同薄膜之間的界面上經(jīng)常出現(xiàn)的應(yīng)變和無序問題。將這里展示的雙穩(wěn)態(tài)電氣開關(guān)與可配置的約瑟夫遜結(jié)的幾何形狀結(jié)合起來，將能夠?qū)﹄娮訝顟B(tài)進(jìn)行額外的控制旋鈕，為新一代可開關(guān)的莫里森超導(dǎo)電子器件鋪平道路。

審核編輯 ：李倩