人们对于扭转双层石墨烯、三层石墨烯种发现的超导现象产生广泛的研究兴趣，扭转双层石墨烯和扭转三层石墨烯体系的关键是层间耦合和moiré超晶格之间的相互作用关系，以及如何形成强关联的低能量平带。通过晶格失配的moiré图案或者二维材料的扭转异质结（比如过度金属硫化物）同样能够产生平带结构。随着人们在过渡金属硫化物的moiré超晶格中观测发现这些关联现象，但是对于超导现象仍然缺乏认识。 有鉴于此，哥伦比亚大学Cory R. Dean等报道在扭转角度为5.0°的双层WSe2发现最大临界温度为426 mK的超导性。该工作的第一作者是Yinjie Guo。这种超导态在特定区域和一定强度的位移场区域内产生，这个区域同金属态相邻，这种反铁磁（AFM, antiferromagnetic）序是产生Fermi表面重构的原因。在低温下，发现在超导相和磁相之间具有尖锐的边界，这个现象与超导体的自旋波动现象类似。这项研究在石墨烯之外的moiré超晶格建立了平带超导性。对于那些石墨烯不存在但是过渡金属硫化物具有的性质（比如本征带隙、较高的自旋-轨道耦合、自旋-波谷锁定、磁性）等性质为研究石墨烯之外更广泛的超导参数区间提供可能。这项研究分析了超导-AFM相图，发现超导性质能够通过自旋波动得到稳定，这种现象与重费米子体系的现象非常类似。这项研究展示了扭转双层WSe2具有的稳健超导性，并且研究了扭转双层WSe2的超导性的起源。首先研究了成对的强度，费米能级（EF）为50 meV与临界温度（Tc）得到Tc/TF≈0.0008，这对应于典型的弱成对BCS（Bardeen–Cooper–Schrieffer）。由BKT关系发现当温度T=TBKT，超流体刚度（superfluid stiffness）约为0.25 K，这显著的低于文献根据能带结构计算的数值（20 meV）。根据超导圆顶（superconductivity dome）的密度推测颗粒之间的距离d约为0.33 nm。颗粒间距的相干长度比的数值非常大（达到17）。这种较低的超流体刚度、较高的相干长度比、较大的能带宽度都表明其符合BSC成对。人们根据理论提出声子介导相互作用能够导致石墨烯的平台产生传统的超导性，WSe2同样有这种可能。这个体系与扭角多层石墨烯不同，但是与菱面体三层石墨烯或者Bernal双层石墨烯非常类似的现象的是，都表现了Fermi表面重构与超导性出现，而且具有明显的自旋波谷磁序。这项研究发现超导性出现在较窄的区域，并且伴随着磁序的出现，这个现象说明磁序在超导中起到的关键作用，比如作为自旋涨落的介导。 总之，这项研究发现了在位移场为零时，相干作用太弱，因此无法在实验温度下观测超导现象。但是，施加位移场导致Van Hove奇点（VHs）的态密度增强，因此磁化率增加并达到阈值，因此Fermi表面重构形成反铁磁性。反铁磁想相邻的自旋涨落导致产生超导成对态。这种相互作用能够解释超导性不是在所有位置产生，只能在反铁磁相相邻位置产生。当增加的磁化率达到阈值，并且与超导相所需的Tc温度相符，Tc能够在接近反铁磁相达到峰值，随后突然消失，这种行为与重费米子体系的反铁磁性现象非常类似。 当然，更加完全和深入的理解超导性，以及精确给出WSe2观测的超导机理需要进一步的实验和理论计算工作。特别是需要对磁序和超导态之间的相互作用深入理解，并且需要弄清超导和磁序之间的协同、竞争、共轭、或者结合等关系。这个研究的关键问题是理解相图随着扭转角度变化的改变。通过这项研究，能够用于和石墨烯体系进行比较。根据目前的认识，人们发现相比于扭角多层石墨烯比较窄的“魔角”窗口或者多层堆叠菱面体体系的奇点参数空间不同，在过渡金属硫化物体系的关联性在多个扭转角度下都能够形成和发生演变。在另一篇工作中，英属哥伦比亚大学Joshua Folk、华盛顿大学Matthew Yankowitz等通过moiré势驱动，在扭转双层-三层石墨烯内构筑异常霍尔晶体。第一作者是Ruiheng Su和Dacen Waters。在稀释的二维电子气，库伦相互作用能够稳定Wigner晶体。虽然Wigner晶体在拓扑结构上是平凡的，但是人们预测Wigner晶体特定部分填充能带电子能够同时打破连续的平移对称性（translational symmetry）和时间反演对称性（time-reversal symmetry），因此形成异常霍尔晶体的拓扑电子晶体。当填充的电子为每四个moiré晶胞填充一个电子（ν =1/4），形成这种异常霍尔晶体，Chern数具有良好的可调性，在电场和磁场下能够在+1和-1下可逆的转变。当ν =1/3、1/2、2/3、3/2，在合适的磁场能够形成其他几种拓扑电子晶体。通过相互作用修饰的能带的量子几何结构与母能带的量子几何结构具有明显的区别，因此有可能通过电子关联产生新型拓扑现象。 这项研究报道了扭转双层-三层石墨烯在|C|=1的一系列拓扑电子晶体态（TEC），这些测试得到的结果与早期人们在各种moiré晶格材料中发现的其他TEC电子晶体态类似，但是同时存在多种明确的区别。这项研究在折叠能带（在分数ν 的C=1态）的Chern数和母能带（在ν=1和2的C=0态）之间的产生了明显的断开，这说明能够在晶化状态下产生拓扑折叠能带。这项研究发现通过电场和磁场能够调节TEC的Chern数，这种对于B||极高的灵敏度对于轨道磁体是非常不寻常的现象。图3. 双层-三层石墨烯的ν=1/4的拓扑电子晶体这项研究展示了在扭转双层-三层石墨烯中，打破时间反演对称性和平移对称性的现象非常常见，其中ν = 1/4的态最简单同时最稳健，能够在0磁场下保持。通过扫描探针显微镜测试能够直接观测这种电子晶体的结构，这对于理解电子晶体的性质非常关键。此外，目前的理论研究预测结果表明分数量子反常霍尔态能够在部分填充的状态下的反常霍尔晶体中出现，并且表现出含有分数电荷以及任意量子交换态的准离子。这种具有扭转双层-三层石墨烯的广义性的反常量子晶体现象为直接研究拓扑电子晶体和分数量子反常霍尔效应之间的关系提供机会。此外，通过结构更加复杂的实验，比如通过具有整数量子反常霍尔态的超高提构筑非-Abelian Majorana模式能够从结构简单的扭转双层-三层结构得到帮助。 Su, R., Waters, D., Zhou, B. et al. Moiré-driven topological electronic crystals in twisted graphene. Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6https://www.nature.com/articles/s41586-024-08239-6Guo, Y., Pack, J., Swann, J. et al. Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2. Nature 637, 839–845 (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08381-1 https://www.nature.com/articles/s41586-024-08381-1
