近期，武汉大学物理科学与技术学院吴冯成课题组与美国马里兰大学凝聚态理论中心的Yang-Zhi Chou博士, Jay D. Sau 教授和Sankar Das Sarma教授合作，在石墨烯体系超导理论的研究上取得新进展，相关工作分别以” Acoustic-Phonon-Mediated Superconductivity in Rhombohedral Trilayer Graphene”和“Correlation-Induced Triplet Pairing Superconductivity in Graphene-Based Moiré Systems”为题，发表在国际著名物理学术期刊Physical Review Letters（《物理评论快报》）上。武汉大学为两篇文章的共同署名单位，吴冯成教授是“Acoustic-Phonon-Mediated Superconductivity in Rhombohedral Trilayer Graphene”文章的共同通讯作者。

在2018年之前，石墨烯及其少层体系作为一类半金属材料被广泛地认为不存在超导电性。然而这一认知在2018年被颠覆——美国麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero教授研究小组在魔角双层石墨烯（转角在1.1°附近的转角双层石墨烯）中观测到了关联绝缘态和超导态。基于这一发现，吴冯成教授与合作者构建了魔角石墨烯中超导态的声子机制理论模型[F. Wu et al., PRL 121, 257001 (2018); PRB 99, 165112 (2019)]，指出了该体系中的电子-声子耦合不仅可以导致常规的s波超导态，还可以为非常规的p波、d波和f波超导配对提供吸引力。

图一：菱方三层石墨烯中超导态的声子机制理论模型

2021年石墨烯体系中的新奇量子物态研究在实验上获得进一步发展。美国麻省理工学院和哈佛大学的两个研究小组独立报道了在转角三层石墨烯中的关联绝缘态和超导态。另一方面，美国加州大学圣塔芭芭拉大学的Andrea F. Young 教授研究小组在无转角的菱方三层石墨烯中也观测到了超导态，这一发现再次更新了物理学界对石墨烯体系的认知。

图二：转角三层石墨烯中，自旋涨落可引发f波自旋三重态超导配对

基于前期理论工作，吴冯成教授与合作者构建了菱方三层石墨烯中超导态的声子机制理论模型，发现由电子-声学声子耦合诱导的超导配对下，s波自旋单态和f波自旋三重态配对具有相同的超导转变温度, 该理论为实验中两个不同的超导相及其磁场依赖关系提供了简洁而清晰的解释。而对于转角三层石墨烯中的超导态，该研究团队则构建了自旋-狄拉克费米子相互作用模型，自旋涨落可引发f波自旋三重态超导配对。这两项理论工作即相互独立，又相互关联，特别是都充分利用了石墨烯体系中的狄拉克费米子所具有的内部自由度（自旋、能谷、子晶格）和对称性来分析超导配对通道，为理解与调控石墨烯体系中丰富而新奇的量子物态提供了理论基础。

文章链接:  

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.187001

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.217001