登上《Nature Communications》！交替扭轉四層石墨烯研究獲突破

近日，由中國科學院物理研究所楊威研究員、張廣宇研究員與香港科技大學Law K. T.教授共同領導的合作團隊，在平帶超導研究領域取得重要突破。研究團隊以交替扭轉四層石墨烯（Alternating Twisted Quadruple Graphene，ATQG）為研究對象，首次揭示了利用垂直電場調控量子幾何性質增強超導的新機制，為理解平帶超導的形成機理以及探索BCS-BEC渡越物理提供了新的思路。

相關成果以《Electric field tunable coupling strength and quantum metric hot spots in a moiré flatband superconductor》為題，于2026年7月4日發表在國際學術期刊Nature Communications。

 圖 交替扭轉四層石墨烯中的超導電性。

近年來，莫爾超晶格體系因能夠產生能帶極窄的平帶而成為凝聚態物理的重要研究方向。理論認為，電子在平帶中運動速度極低，電子關聯效應顯著增強，因此更容易形成超導、磁性等新奇量子態。然而，多帶體系中不同能帶之間如何共同影響超導，以及量子幾何效應究竟發揮怎樣的作用，一直缺乏明確實驗驗證。

此次研究聚焦于ATQG這一典型多帶莫爾體系，通過高精度電輸運測量結合理論計算，對平帶與狄拉克帶在超導形成過程中的作用進行了系統分析。

研究人員首先利用朗道能級譜和霍爾輸運測量，對體系中的不同載流子來源進行了定量解析。結果發現，在零位移電場條件下，受強電子關聯作用影響，原本較窄的平帶被展寬至約50 meV，而狄拉克帶在平帶半填充附近仍貢獻了可觀且可區分的載流子密度。這說明ATQG中的平帶并非固定不變，而是受到電子關聯效應的顯著調控。

更重要的是，團隊進一步利用垂直位移電場調控電子結構，發現超導轉變溫度（Tc）和超流剛度均隨電場呈現明顯的非單調變化，并在約0.26 V/nm附近達到最佳狀態。實驗測得的超流剛度甚至超過傳統BCS理論的預測值。

理論分析表明，這一現象源于電場促進了平帶與狄拉克帶在動量空間特定區域發生雜化，在這些區域形成了所謂的"量子度量熱點（Quantum Metric Hot Spots）"。這些熱點能夠顯著增強量子幾何對超流剛度的貢獻，使體系即使具有較大的電子有效質量和較低的費米速度，仍能夠維持強耦合超導態。

此外，研究團隊還通過臨界電流、相干長度等關鍵參數測量發現，該體系的超導耦合強度能夠通過電場連續調節，并長期處于接近BCS-BEC渡越區域的強耦合狀態，為研究非常規超導及量子幾何驅動的新型超導機制提供了理想實驗平臺。

研究人員表示，該工作不僅首次實驗區分了多帶莫爾體系中平帶和狄拉克帶對超導的不同貢獻，還揭示了量子幾何可以通過電場實現主動調控，為利用量子幾何設計高性能超導材料提供了新的理論依據和實驗路徑。未來，這一研究思路有望拓展至更多二維莫爾材料及新型量子材料體系，為開發可調控超導器件和探索新型量子功能器件奠定基礎。