理解超導體中的電子如何配對,是凝聚態物理中的基本課題,而關鍵點就在於透過可測量材料中的電子能態分布的技術,精確找出超導能隙。然而,要區分超導能隙與其他類型的能隙並不簡單。一個著名的例子是銅氧化物超導體中超導能隙和贗能隙(Pseudogap)的共存,其中贗能隙不一定反映超導能隙的本質。這種複雜性在最近發現的莫爾超導體(Moiré superconductor)中更常見,因為這類材料對無序敏感,且多種關聯態(correlated states)彼此相當接近。具體來說,雖然魔角石墨烯(magic-angle graphene)家族的實驗顯示其超導性質不同於傳統超導體,但科學家仍然很難直接透過光譜技術測量出超導能隙,也很難將光譜測量的結果與材料的電阻等傳輸性質連結起來。過去的掃描穿隧顯微鏡研究發現,在對應超導相的摻雜範圍內,穿隧光譜並未展現出預期的溫度和磁場依賴性,使得能隙的性質難以確定。因此,科學家迫切需要一種能同時進行多維度測量的實驗方法,來釐清超導能隙的真實面貌。這樣的方法不僅能解決現有技術的限制,更能在同一個元件上建立穿隧測量與傳輸特性之間的直接關聯,從而更清楚地理解魔角石墨烯的超導機制。
近日,美國麻省理工學院的研究團隊,開發出一種范德瓦爾材料(vdW material),能同時進行穿隧光譜與傳輸測量,並成功應用於魔角扭轉三層石墨烯(MATTG,magic-angle twisted trilayer graphene)。研究團隊發現穿隧光譜顯示兩個共存但能量尺度不同的V型能隙:一個低能超導能隙會在超導臨界溫度和磁場消失,以及一個較高能量的贗能隙。低能超導能隙會隨著溫度和磁場的增加而逐漸縮小,且縮小的程度與溫度和磁場成正比,且在垂直和平行磁場方向都很敏感,這些特徵與Volovik效應一致。研究人員透過改良的Dynes公式擬合穿隧光譜,得到超導能隙與BKT相變溫度的比值約為4.3。更重要的是,當改變材料的摻雜濃度時,超導能隙的變化趨勢與超導臨界溫度完全一致,這證實了兩者的直接關聯。相較之下,雖然高能贗能隙也會隨摻雜改變,但它的能量尺度遠大於超導能隙,兩者的比值高達20至30倍。研究人員表示,這項研究不僅確立了魔角石墨烯超導能隙的非常規性質,也為可調控量子材料的研究建立了實驗框架。