多层石墨烯的非常规表面超导研究

In the past decade, some results of the experiments have shown the characteristics of high temperature or even room temperature superconductivity in graphite. The theories of the reason of the phenomenon are required. We think the high temperature superconductivity in graphite stems from the surface states in graphene superlattices. Based on Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory, the critical temperature Tc is exponentially suppressed by the reciprocal of the coupling constant U and the density of states on Fermi surface n(Ef). Multilayered graphene has topologically protected surface states which have dispersionless flat band spectrum. The flat band spectrum has high density of states which enhances the superconductivity and the critical temperature. This feature may lead to the high temperature superconductivity in multilayered graphene. However, in contrast to the conventional superconductivity, in the flat band, the contribution to the superfluidity from the band curvature is zero. In this case, the superconductivity may come from the interband effects. The effects reveal themselves through a special topological property related to the quantum metric. In this proposal, we plan to study the surface states in multilayered graphene of different configurations and their topologically protected nature. We will also study the quantum metric of the surface states and its relationship with the topology of the bulk. Finally, we will analyse the origin of the unconventional surface superconductivity in multilayered graphene.

近十几年来，在对石墨材料的实验中人们观测到样品表现出奇特的高温超导甚至室温超导的特征，其成因一直缺乏完善的理论解释。我们认为石墨中高温超导的产生来源于超晶格结构的表面态。根据BCS理论，临界温度Tc是电子耦合常数U和费米面附近能态密度n(Ef)的倒数的指数函数，即Tc正比于Exp(-1/(Un(Ef))。多层石墨烯中存在拓扑保护的表面态，其具有无色散的平带能谱。平带能谱含有较高的能态密度，是导致多层石墨烯高温超导的部分可能原因。然而不同于常规超导体，在多层石墨烯表面态的平带能谱中，能带的色散对超导电流的贡献为零，因此超导可能来源于带间作用并通过特殊的拓扑性质-量子度量表现出来。本项目拟研究不同构型的多层石墨烯的表面态性质和其成因的拓扑保护的本质，研究其表面态的量子度量与材料拓扑性质的关系，分析多层石墨烯表面超导的成因。

随着超导现象在二维材料中的发现，非常规超导与二维材料特性关联的认识需要完善。由于二维材料中常可以产生较为平坦的基态能级，其对超导的作用尚需澄清；平带能级和表面超导的产生可能是系统拓扑性质的体现，然而对相关的对称性缺乏认识；超导体的部分特征虽在石墨烯异质结等实验中被观测到，其成因仍存在疑问。综上所述，目前人们对多层石墨烯表面或界面产生非常规超导的原因尚存在争议，对其表面态性质的认识尚不完善，导致表面态和非常规超导的拓扑本质也有待进一步阐述。.本研究以多层石墨烯类结构为例，主要研究了1）材料表面态电子性质与堆叠层数、扭转角度等的关联，2）表面态特性与材料拓扑性质的关联，3）非常规表面超导的成因及其与能带拓扑性质的关联。部分主要认识如下：.1）理论证实超导态能够在Rhombohedral堆叠的多层石墨烯（MTG）表面产生。超导能隙随着堆叠层数的增加先增后降，基态能级为平带能谱，超导电流主要集中于平带边缘，常规与非常规机制对超导电流的贡献具有相近的权重但表现出不同的极化特征。超导电流可能来源于材料空间-时间反演对称性保护的拓扑性质，由手性或绕数作为拓扑不变量；.2）在三层转角石墨烯中，发现了多组全局（覆盖整个布里渊区）和局域的平带能级结构，解释了层间相互作用（ωAA）增加导致全局到局域平带能级的转化来源于系统导带与价带对称性的破坏；发现在ωAA较小时，局域的电子-电子耦合作用不能有效的在Γ附近打开超导能隙与ωAA较大时情况相反；.3）发现了一种通过共价键作用形成的GeSn扭转双层薄膜结构，理论证明在垂直电场作用下，该薄膜能够实现从平凡拓扑到非平凡拓扑的转变；.4）发现了一种使用纳米薄膜和氧化物制备的超表面实现准确的折射系数匹配和高效防反射的方法，其中GeSn薄膜覆盖的材料达到了低于0.01%的反射率，比现有报道的最低数值提升至少1个数量级。.初步掌握了该类材料中非常规的超导特性、揭示了其与系统拓扑性质的关联，有助于帮助我们理解和寻找新型拓扑和超导材料。