01 研究背景

扭轉雙層石墨烯形成了具有AA和AB/BA堆疊交替區域的摩爾超晶格。在1.1°的魔角附近，AA區域的層間雜化導致了重歸一化的平坦能帶，從而抑制了電子動能，使強庫侖相互作用占據主導地位。魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）的實驗實現導致了許多令人驚訝的結果，包括發現超導性、相關絕緣態、軌道磁性和量子反常霍爾效應，以及奇怪的金屬行為。在MATBG之外，一個新的孿晶領域已經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移，導致了鐵電性（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中的磁滯和雙穩態行為。在這項工作中，研究者提出了在MATBG中發現了雙穩態的滯后行為，其中頂部和底部的BN結晶邊緣彼此緊密對齊30°。

02 研究成果

超導的電氣控制對于納米級超導電路至關重要，包括低溫存儲器元件、超導場效應晶體管（FET）和柵極可調諧量子比特。超導場效應晶體管通過連續調諧載流子密度進行工作，但尚未報道可作為新型低溫存儲器元件的雙穩態超導場效應晶體管。最近，在Bernal-stacked 雙層石墨烯中發現了柵極滯后和由此產生的雙穩態，并與其絕緣的六方氮化硼柵極電介質對齊。在這里，美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）Dahlia R. Klein，Li-Qiao Xia，Pablo Jarillo-Herrero等報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象。這種雙穩態行為與MATBG的強相關電子系統共存，而不會破壞其相關的絕緣體或超導狀態。這個全范德華平臺能夠在這個豐富的系統的不同電子狀態之間進行可信賴的切換。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、金屬和相關絕緣體狀態之間展示了可重復的雙穩態切換。這些實驗開啟了將這種新的可切換摩爾超導體廣泛納入高度可調諧的超導電子器件的潛力。相關研究工作以“Electrical switching of a bistable moiré superconductor”為題發表在國際頂級期刊《Nature Nanotechnology》上。

03 圖文速遞

圖1. 器件表征

該堆疊是使用標準的切割和堆疊干轉移范德瓦爾斯組件（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片的長而尖銳的結晶學邊緣被有意地對準彼此和封裝的MATBG堆疊，導致兩個BN層大約以30°為模數對齊（補充圖1）。

低溫傳輸測量證明了高質量扭曲的雙層石墨烯器件在接近魔角θ≈1.1°時的預期特征。在圖1b中，四探針縱向電阻Rxx被繪制成在基礎混合室溫度為40 mK時使用局部石墨底柵（VBG）的載流子密度的函數。填充因子ν指的是每個MATBG摩爾紋超晶格單元格的電子或空穴的數量；ν=±4指的是每個晶胞分別有四個電子或空穴的摩爾紋帶完全填充。傳輸數據顯示了與電荷中和點（CNP，ν=0）、帶狀絕緣峰（BI，ν=±4）和相關半金屬/絕緣峰（CS/CI，ν=1、±2、3）相對應的突出電阻特征。此外，強大的超導（SC）區域出現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，當頂層柵極被用來調整器件中的載流子密度時，MATBG的傳輸特征有一個很大的滯后性轉變，這取決于VTG的掃頻方向（圖1c）。當柵極電壓最初被掃過時，有一個很大的區域，柵極似乎不工作，隨后是一個預期的行為區域，MATBG的載流子密度正在變化。這一觀察結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象相同。

圖2. 縱向阻力的雙柵極圖

為了進一步研究他們的MATBG器件中這種出現的滯后行為，研究者進行了Rxx作為兩個柵極電壓的函數的雙柵極圖。他們展示了以VTG為慢軸從負電壓掃到正電壓（圖2a）或從正電壓掃到負電壓（圖2b）的效果。當VTG最初被改變時，傳輸特征逐漸演變，表明柵極沒有像標準場效應晶體管（FET）中預期的那樣將載流子完全引入MATBG層中。在進一步調制VTG后，該器件突然進入熟悉的狀態，即在MATBG中載流子密度恒定時出現的電阻峰值，在雙柵極平面內遵循直線軌跡。使用圖2c（從圖2a轉換）和2d（從圖2b轉換）中的轉換軸，可以更容易地觀察到這種行為的變化。轉換定義為：next = （εBN/e）（VTG/dTG + VBG/dBG）， Dext/ε0 = （εBN/2）（VTG/dTG - VBG/dBG） 。在頂層柵極以預期的數量向MATBG器件添加載流子的區域中，傳輸特征遵循垂直線軌跡，這與之前的觀察結果一致，即MATBG中的強相關電子系統與位移場Dext無關。

圖3. 魯棒超導性的表征

根據研究者在圖2中的雙柵極測量，他們得出結論，在他們的器件中出現的滯后現象與MATBG的強相關行為同時存在。為了證實這種共存性，他們研究了他們的器件在其兩個雙穩態配置中的一個的超導性。在圖3a中，他們繪制了四探針Rxx作為底層柵極和溫度的函數。在ν=±（2+δ）處出現了兩個超導穹頂，與之前的MATBG現象學一致。使用臨界溫度為正常狀態電阻的50%的定義（補充圖4），他們得出空穴和電子穹頂的最大Tc分別為2.15 K（ν = -2.62）和0.83 K（ν = 2.32）。

在ν=±（2+δ）時，電子和空穴兩邊的大區域的超導性仍然很突出（圖3b）。使用底層柵極，他們可以在固定的載流子密度下將系統停在任一區域。在圖3c中，他們顯示了在ν=-2.48時，空穴側的微分電阻dVxx/dI是直流電流IDC和外加垂直磁場B⊥的函數。他們發現，超導臨界電流在B⊥=0時達到最大值，并隨著B⊥的增加在接近±100 mT而下降到零。他們在ν=2.57的電子側發現了類似的結果（圖3d），臨界電流在B⊥=±40 mT時消失。這些數據是MATBG中持續存在的強大超導性的標志，重要的是，它們不受共存的遲滯行為的影響。

圖4. MATBG狀態的電轉換與超導性

滯后現象在兩個相反的掃頻方向之間循環時持續存在。在圖4a中，Rxx顯示了當頂柵VTG從±6 V來回掃過6個痕跡。一個明顯的雙穩態性出現了：向上和向下的痕跡出現在相同的位置，僅取決于掃頻方向。此外，應用頂柵的歷史也影響著底柵的掃頻。他們可以通過設置VBG=0，應用VTG=±6 V持續幾秒鐘，然后將VTG設回0來準備系統的任一狀態。選擇這個符號是為了在每次掃描開始時保持Dext的相同符號。如圖4b所示，當這一序列在六個軌跡上重復時，系統再次是雙穩態的。

現在他們已經建立了雙穩態和強相關的MATBG行為在單個器件中的共存，他們可以利用這一特性在不同的電子狀態之間進行可逆切換。在圖4c中，在設置VTG=0之前，他們首先用VTG=-6V的脈沖來準備系統。然后他們將應用的底層柵極固定在-1.4V，將系統置于空穴側（ν=-2-δ）超導階段。值得注意的是，在施加VTG = 6 V的脈沖并將頂部柵極設置為0后，他們展示了Rxx從這個超導狀態切換到一個穩定的金屬狀態（圖4c）。在金屬狀態下暫停后，他們再施加VTG=-6 V的第二個脈沖，使器件返回到超導狀態。為了強調這個程序的穩定性，他們還進行了VTG=±6 V的脈沖交替序列，在固定的底層柵極電壓下，在雙穩態超導和金屬態之間重復切換系統（圖4d）。

此外，他們還證明了在固定的施加載流子密度下，只用應用位移場就能在MATBG的不同電子相之間進行切換的能力。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，顯示了在超導和電阻相關絕緣體狀態之間切換的能力（圖4e）。這種可重復性反映了該系統中存在的魯棒雙穩態行為，并說明了其作為范德華平臺的超導開關的效用。

04 結論與展望

總而言之，研究者的成果引入了一個高度可調諧的全范德華平臺，在低載流子密度的強相關電子系統的一系列電子狀態之間進行雙穩態電氣切換。最近，利用MATBG與BN電介質的圖案化靜電門在摩爾超導器件方面取得了進展，實現了約瑟夫遜結，包括磁約瑟夫遜結、超導二極管和超導量子干涉器件。這些由單一材料平臺構建的范德華異質結構，繞過了不同薄膜之間的界面上經常出現的應變和無序問題。將這里展示的雙穩態電氣開關與可配置的約瑟夫遜結的幾何形狀結合起來，將能夠對電子狀態進行額外的控制旋鈕，為新一代可開關的莫里森超導電子器件鋪平道路。

審核編輯 ：李倩