引言

超导现象是物理学中最引人入胜的领域之一，它不仅是量子物理的基础，更是未来量子技术和能源传输的关键。然而，超导性能的调控往往依赖于复杂的材料设计和外部条件。近日，M.Naritsuka等人在《自然·物理学》上发表了题为“Superconductivity controlled by twist angle in monolayer NbSe₂ on graphene”的研究，探讨了通过调整单层NbSe₂与石墨烯之间的扭转角度来控制超导性质。这项研究揭示了纳米尺度下层间耦合对超导性的影响，为未来材料设计和量子技术提供了新思路。

第一章 研究背景与意义

块体2H- NbSe₂是一种层状超导体，在30 K时展现出3 × 3电荷密度波（CDW）序，与超导电性共存，超导临界温度Tc低于7 K。这两种现象在单层极限下依然存在，此时Tc降低到约1 K。此前扫描隧穿谱研究揭示了无序和电子关联对NbSe₂单层在石墨烯、石墨或石墨烯在多层NbSe₂上的影响，但堆叠和扭转的影响尚未阐明。在这项研究中，作者展示了通过改变单层NbSe₂与石墨烯之间的扭转角度，可以对特定动量下的超导能隙进行调整。这不仅扩展了我们对超导机制的理解，还可能为下一代量子技术铺平道路，如超导量子计算和高效能电子器件。

图1 图示为NbSe₂单层在石墨烯上的侧视图和顶视图，其中品红色线条表示缓冲层石墨烯与SiC衬底之间的悬挂键，形成了6√3×6√3-R30^°的DB(dangling bond)序。扭转角的定义如顶视图所示，将NbSe₂的主晶格矢量与石墨烯的锯齿方向平行定义为0^°。

第二章 实验装置与方法

实验使用分子束外延法（MBE）在石墨烯基底上生长单层NbSe₂，石墨烯通过在1500°C下退火4H-SiC(0001)衬底制备，随后冷却至490°C生长NbSe₂。关键在于控制NbSe₂与石墨烯之间的扭转角度，实验中测试了如24°和28°的特定角度。

为研究电子和超导性质，作者们采用了谱学成像扫描隧道显微镜（SI-STM），在超低温（低于90mK）和强磁场的条件下进行测量。SI-STM能以原子级分辨率捕捉局部态密度（LDOS），通过测量微分电导g (r,E=eV) ≡ dI (r,V) /dV, 或归一化后的微分电导L (r,eV) ≡ gI (r,eV) / (I,V) 分析准粒子干涉（QPI）和动量空间中的超导能隙变化。实验还考虑了动态库仑阻塞效应对隧穿谱的影响，并通过傅里叶变换分析moiré图案和手性干涉信号。

第三章 研究内容与发现

图2 (a)归一化微分电导图像L(r,+20 meV) 显示了缺陷附近的准粒子干涉调制图案。(b)通过将a图傅里叶变换后得到L(q,+20 meV)。绿色线段表示由于c图部分所示的Γ中心口袋内的带内散射导致的准粒子干涉信号。蓝色圆圈、蓝色正方形、红色菱形、橙色三角分别为NbSe₂ 、电荷密度波、moiré矢量、悬挂键信号。(c)基于密度泛函理论计算的能带结构，计算了NbSe₂单层在E = +20meV处的自旋分辨谱函数。虚线六边形表示第一布里渊区。S_z表示自旋期望值的z分量。Γ中心能带在动量空间中呈现六边形，六边形谱函数平坦边之间的散射受自旋选择规则的允许，这自然地解释了b图中观察到的六边形准粒子干涉图案。绿色箭头表示中图中观察到的散射矢量。

图3 扭转角为28°的NbSe₂单层/石墨烯的超导能隙。a部分是在50nm×50nm视场范围内平均的隧穿谱，显示了超导能隙。红线表示通过动态库仑阻塞模型拟合的谱线。b部分是在50nm×50nm视场范围内测量的Δ(r)的直方图。c部分是Δ(r)的空间分布。d部分是Δ(r)的傅里叶变换图像，显示了Γ中心口袋信号（绿色线段）和3×3电荷密度波（CDW）峰（蓝色方块）的带内散射。

图3(a)中作者通过动态库仑阻塞模型去解释超导能隙谱，尽管展宽的能隙边缘峰可以通过动态库仑阻塞模型很好地再现，但在V=0附近存在明显的差异。图3(b)可以看到超导能隙 Δ(r) 在空间上较为均匀，其直方图的半高全宽小于平均能隙幅度的10%。从图3(d)中可以识别出来自NbSe₂单层的3 × 3电荷密度波和准粒子干涉调制的信号，但没有观察到与底层石墨烯基底相关的悬挂键序，也没有摩尔条纹。因此，超导配对相互作用主要由NbSe₂单层主导。

图4 (a)是θ=24°的样品在超导态下动量空间的差分电导g(q, 0 meV)，显示了费米能级处残余局域密度调制的q分量。绿色线段表示Γ点带内散射导致的准粒子干涉调制信号。黄色圆圈处显示了打破单层NbSe₂ Γ–M和Γ–K线镜像对称性的信号。(b)在垂直于表面的5T磁场下，正常态下的g(q, 0 meV)映射。其他所有条件与a图相同。除了准粒子干涉调制信号（绿色线段）外，所有特征q矢量消失，表明其来自于超导。(c)在超导态下手性分量图A(q, 0 meV)，显示打破NbSe₂镜像对称性的q分量。d部分是正常态下的相同数据，其中手性特性消失。(e)视场下平均后得到的隧道谱(f)手性程度的能量依赖性，手性程度通过在研究的q范围内积分A(q, E)的绝对值得到。(e)、(f)显示了两个不同扭转角样品的结果。手性特性仅在超导能隙内可见，在正常态下消失。

为了研究 V = 0 附近残余局部态密度的来源，作者在超导间隙能量尺度中进行了高能量分辨率 SI-STM。他们发现了打破NbSe₂镜像对称性的手性点(图3a中的黄色圆圈)，同时由于其只在样品超导时出现，他们认为这些手性点来自于玻戈留玻夫准粒子。

为了定量分析手性点的能量依赖强度，作者通过对q_y轴（Γ–M轴）进行反对称化处理A(q,E)≡[g(q_x,q_y,E)-g(-q_x,q_y,E)]/[g(q_x,q_y,E)+g(-q_x,q_y,E)] 得到图3(c)和(d)。从图4(e)和(f)可以看到手性点只在超导能隙内出现，同时在转角为0°的样品中(此时NbSe₂镜像对称性未被打破)，未能发现手性点。因此他们得出结论，在中g(q,E)发现的手性斑点代表了扭角堆叠样品在超导状态下的调制特性。

图5 扭角堆叠样品里的玻戈留波夫准粒子六重态模型。a 扭转角为24°的单层NbSe₂/石墨烯的动量空间电子态。蓝色和橙色六边形分别代表单层NbSe₂和石墨烯的布里渊区。NbSe₂的自旋分辨谱函数以扩展分区方案显示，实心黑圈代表石墨烯内谷的费米面，虚线黑圈表示被NbSe₂布拉格矢量平移后的石墨烯费米面。箭头表示连接六重态区域的可能的玻戈留波夫准粒子干涉矢量，这些区域中NbSe₂和石墨烯的费米面重叠。b部分是扭转角为24°时观察到的玻戈留波夫准粒子干涉图案，a中所预测的所有矢量都可被识别出。绿色线段表示图1(c)中Γ中心带内散射导致的QPI信号，红色菱形和蓝色方块分别显示摩尔矢量和3×3电荷密度波（CDW）峰。c部分是扭转角为28°时的相同数据。

为了实现显著的层间耦合，NbSe₂和石墨烯的费米面应在动量空间中重叠。层间耦合会在石墨烯中诱导出超导能隙，并反过来在六重态区域减小NbSe₂的能隙，从而产生低能玻戈留波夫准粒子。在准粒子散射体存在的情况下，我们可以预期玻戈留波夫准粒子干涉调制（QPI）图案的特征波矢会连接这些六重态区域（图5a）。这种现象学的六重态模型很好地解释了所有观察到的手性斑点（图5b）及其对扭转角的依赖性（图5c）。

终章 结果分析与总结展望

这项研究表明，扭转角度通过层间耦合改变电子的能量分布，影响超导隙的动量空间特性。手性图案的出现揭示了超导状态下的拓扑性质，可能与费米面的重叠和玻戈留波夫准粒子的散射有关。模拟模型进一步验证了这一现象，证明扭转角度是调控超导性的有效参数。

这项研究展示了扭转角度在超导调控中的潜力，未来随着样品制备技术的进步，科学家可更系统地探索不同扭转角度下的超导和拓扑性质。这可能推动过渡金属二硫化物和其他扭转系统（如扭转双层石墨烯）的应用，特别是在量子计算和高效能电子器件领域。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41567-025-02828-6#citeas

撰稿｜林恭长

指导丨刘玉龙