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研究背景

近年來(lái)，在超導(dǎo)性和量子霍爾效應(yīng)相結(jié)合的情境下，出現(xiàn)了一些新的物理現(xiàn)象，比如涉及磁通隧穿的現(xiàn)象以及通過(guò)量子相滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)安培標(biāo)準(zhǔn)的前景。然而，實(shí)現(xiàn)這些現(xiàn)象并不容易，因?yàn)閭鹘y(tǒng)約瑟夫森結(jié)中的超導(dǎo)電流通常會(huì)受到垂直磁場(chǎng)的抑制，這是由于庫(kù)珀對(duì)在不同軌道上傳播時(shí)產(chǎn)生的弗勞恩霍夫類(lèi)型的干涉效應(yīng)。因此，科學(xué)家們面臨著如何在量子霍爾效應(yīng)的條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超導(dǎo)電流的挑戰(zhàn)。

為了解決這一問(wèn)題，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Andre Geim（2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）課題組領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)攜手利用了雙層石墨烯中的疇壁，這些疇壁被發(fā)現(xiàn)可以作為嚴(yán)格的一維導(dǎo)線，在石墨烯的塊體區(qū)域完全絕緣時(shí)連接超導(dǎo)電極。這一想法的提出激發(fā)了研究者們的興趣，并促使他們采取了一系列的實(shí)驗(yàn)和理論工作。

成果簡(jiǎn)介

具體而言，研究者們使用了最小扭曲石墨烯雙層（MTGBs）作為研究對(duì)象，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備了一系列的約瑟夫森結(jié)。這些約瑟夫森結(jié)的制備過(guò)程包括了將單層石墨烯切割成兩塊，然后通過(guò)平行傳輸和微小的旋轉(zhuǎn)將它們疊加在一起。這種組裝導(dǎo)致了石墨烯晶格的重構(gòu)，形成了具有AB和BA堆疊區(qū)域的雙層石墨烯。而這些區(qū)域之間的邊界被發(fā)現(xiàn)可以作為嚴(yán)格的一維導(dǎo)線，連接了超導(dǎo)電極。通過(guò)對(duì)這些結(jié)的特性進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象，并得出了一些重要的結(jié)論。相關(guān)成果在Nature頂刊發(fā)題為“One-dimensional proximity superconductivity in the quantum Hall regime”的研究論文。其中論文其他通作者訊為曼徹斯特大學(xué)Julien Barrier博士，浙江大學(xué)化學(xué)系辛娜研究員。

圖文導(dǎo)讀

圖1的研究展示了包含MTGB（最小扭曲雙層石墨烯）中疇壁的約瑟夫森結(jié)。在圖中，a部分展示了器件示意圖，插圖展示了AB和BA堆疊的區(qū)域，通過(guò)施加門(mén)電壓來(lái)調(diào)節(jié)載流子密度。頂部插圖顯示了器件的假彩色電子顯微圖，其中MTGB顯示為綠色，NbTi超導(dǎo)電極顯示為黃色。b部分展示了具有單個(gè)疇壁的約瑟夫森結(jié)在小磁場(chǎng)下Idc的微分電阻，顯示出與弗勞恩霍夫圖案的明顯偏離。c部分展示了相同結(jié)構(gòu)在量子霍爾區(qū)域的dV/dI曲線示例。d部分是以10mT步長(zhǎng)測(cè)量的全圖，紅色曲線表示Ic的峰值位置，白色曲線標(biāo)記了零電阻狀態(tài)邊界。這些數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于具有特定尺寸和參數(shù)的邊緣型結(jié)構(gòu)。研究人員通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在MTGB中的疇壁可以作為弱鏈接，在量子霍爾效應(yīng)區(qū)域內(nèi)支持超導(dǎo)性，而且其臨界電流非常穩(wěn)定，可以在不同磁場(chǎng)下工作。這一發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建在量子霍爾效應(yīng)基礎(chǔ)上的超導(dǎo)量子器件提供了新的思路和可能性。

圖1. 在最小轉(zhuǎn)角雙層石墨烯MTGB中，包含疇壁的約瑟夫森結(jié)。

在本研究中，為了探索量子霍爾效應(yīng)下的鄰近超導(dǎo)性，作者制備了不同數(shù)量疇壁的約瑟夫森結(jié)。圖2顯示了不同疇壁數(shù)量下的差分電阻圖譜。在(a)中，對(duì)于沒(méi)有疇壁的結(jié)構(gòu)，未觀察到明顯的超電流跡象。然而，當(dāng)引入單個(gè)疇壁時(shí)，在(b)中，可見(jiàn)在量子霍爾區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了明顯的超電流。進(jìn)一步增加疇壁數(shù)量至兩個(gè)，(c)中的圖譜顯示了更大的超電流，且具有周期性的振蕩特征。最后，在(d)中，具有多個(gè)疇壁的結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了復(fù)雜的超電流模式，其振蕩更為不規(guī)則。這些結(jié)果表明，隨著疇壁數(shù)量的增加，超導(dǎo)性的表現(xiàn)變得更加豐富和復(fù)雜，突顯了疇壁在量子霍爾效應(yīng)中的重要作用。

圖2. 不同數(shù)量疇壁，量子霍爾機(jī)制中的超電流。

最后，作者討論了載流子密度n對(duì)一維近距離超導(dǎo)性的影響。在低磁場(chǎng)下，作者所有約瑟夫森結(jié)的n依賴性都相似，無(wú)論是否存在疇壁（圖3a）。與之前使用單層石墨烯制造的約瑟夫森結(jié)的相比，作者設(shè)備的唯一顯著差異是在作者的設(shè)備中幾乎沒(méi)有法布里-珀羅振蕩。這種振蕩需要正常金屬-超導(dǎo)體界面的有限透明度才能產(chǎn)生駐波，先前在摻雜空穴時(shí)因界面p-n結(jié)提供了適當(dāng)條件而觀察到這種振蕩。作者的雙層約瑟夫森結(jié)的二維-三維界面非常透明，即使在摻雜空穴的情況下，也只會(huì)在零磁場(chǎng)附近產(chǎn)生微弱的法布里-珀羅振蕩（圖3a）。在量子霍爾區(qū)域，正常金屬-超導(dǎo)體界面的性質(zhì)變成了一維-三維，摻雜空穴時(shí)無(wú)法檢測(cè)到超電流，因?yàn)榻缑鎝n結(jié)的電阻很高（圖3b）。另一方面，當(dāng)摻雜電子時(shí)，Ic(n)中出現(xiàn)了明顯的振蕩，因?yàn)橐痪S-三維界面更透明。

這些振蕩歸因于法布里-珀羅共振，每當(dāng)一維費(fèi)米波長(zhǎng)的一半的整數(shù)倍與疇壁長(zhǎng)度L相匹配時(shí)發(fā)生（圖3b）。觀察到的法布里-珀羅振蕩的一個(gè)令人驚訝的特征是，它們的周期隨著n的減小變化很小，即使在接近中性點(diǎn)時(shí)也是如此（圖3b、c）。這種行為在方法中有詳細(xì)描述，似乎很難與電子波長(zhǎng)通常在零載流子密度處發(fā)散的情況相協(xié)調(diào)。盡管如此，觀察到的周期性與作者特定的一維通道預(yù)期的周期性非常吻合，其中疇壁內(nèi)的電子即使在電荷中性雙層中也保持有限密度。

圖3. 單疇壁提供的超電流中的Fabry–Pérot振蕩。

總結(jié)展望

本研究展示了在量子霍爾效應(yīng)區(qū)域內(nèi)的AB/BA領(lǐng)疇壁能夠支持Andreev束縛態(tài)，并且在這些區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高臨界電流，而且?guī)缀醪皇芡饧哟艌?chǎng)的影響。這一發(fā)現(xiàn)在理論和實(shí)驗(yàn)方面都具有重要的科學(xué)啟迪。

首先，它為探索新型拓?fù)浔Ｗo(hù)的準(zhǔn)粒子提供了一個(gè)重要平臺(tái)，這對(duì)于量子計(jì)算等領(lǐng)域具有潛在的重要意義。其次，這項(xiàng)研究為制備高性能的量子霍爾效應(yīng)相關(guān)器件提供了新思路，例如超導(dǎo)量子干涉器件。此外，通過(guò)研究一維超導(dǎo)性在不同載流子密度下的行為，可以更深入地理解超導(dǎo)性在低維系統(tǒng)中的特性。此外，本研究還提出了未來(lái)研究的有趣方向，例如通過(guò)打開(kāi)雙層石墨烯中的能隙來(lái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)的手性超電流，以及探索超電流與分?jǐn)?shù)和偶分母量子霍爾態(tài)的相互作用。

文獻(xiàn)信息

Barrier, J., Kim, M., Kumar, R.K. et al. One-dimensional proximity superconductivity in the quantum Hall regime. Nature, 741–745 (2024).?

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