英国曼彻斯特大学Andre Geim（2010年诺贝尔物理学奖得主）课题组领衔的国际研究团队，利用新型一维体系，在高磁场下观测到了稳健的超导现象。这一突破为解决凝聚态物理领域中长期存在的挑战之一，即在量子霍尔机制下实现超导性，提供了一个有效的途径。
北京时间2024年4月24日，该研究成果以“One-dimensional proximity superconductivity in the quantum Hall regime”为题在线发表于Nature。
通讯作者为曼彻斯特大学Julien Barrier博士，浙江大学化学系辛娜研究员，曼彻斯特大学Andre Geim教授。
超导性，即某些材料以零电阻导电的能力，其对量子技术的进步具有深远的潜力；而在以量子化电导为特征的量子霍尔机制下实现超导性存在着巨大的挑战。基于准一维导体作为弱连接构建邻近超导性，在基础研究和应用方面都具有重大意义。约瑟夫森结中的临界电流通常会受到非常弱的垂直磁场的抑制，这是由于沿着不同轨迹传输的库珀对之间的Fraunhofer干涉效应所致。如果利用严格的一维态来构建邻近超导性，将能够有效减弱垂直磁场的抑制作用，从而使超导量子干涉器件在高磁场下运行。特别引人关注的是将量子霍尔导电体作为弱连接，将能够实现栅压可调的一维态，也可以实现拓扑保护的多体准粒子。然而当前的实验进展主要局限于观察超导电极对正常态输运的影响以及研究在超导体-量子霍尔导体界面出现的手性Andreev边缘态。近来，基于石墨烯的约瑟夫森结在量子霍尔机制下的邻近超导效应见诸报道，发现由量子霍尔边缘态支持的超导电流极其脆弱（mK温度下的临界电流在1nA左右）而导致邻近超导效应的重现性较差。
该研究团队另辟蹊径，利用Bernal堆垛的双层石墨烯中AB和BA畴区边界，构建出量子化磁场下弹道的严格一维导线，用以连接超导电极，实现了量子霍尔机制下的超导耦合。通过制备六方氮化硼封装的角度小于0.1°的扭转双层石墨烯，构建出宽度在10nm左右的AB/BA畴壁；利用光电流扫描显微技术表征畴区结构；在此基础上，基于可视化的畴壁制备长度在100-200 nm之间的约瑟夫森结。此外，利用正常态的电子输运来估算所测试的约瑟夫森结中的畴壁的数目：在中性点，拥有畴壁的器件的电导对温度的依赖性较弱，每一个畴壁对电导的贡献接近4e2/h。发现光学可视化与电学表征所得到的畴壁数目是一致的。
图1. 单畴壁约瑟夫森结示意图及微分电导随磁场和电流的变化
研究聚焦于高电子浓度掺杂（n>1012 cm-2）的测量，主要是由于其实现了约瑟夫森结中正常金属-超导体的低阻界面，为表征超导态提供了便利。在磁场小于50 mT时，所有的器件均表现出典型的石墨烯约瑟夫森结特征：电导由Fraunhofer干涉振荡所主导。在中等磁场强度下，区别于传统的超导-普通金属-超导结，临界电流不随磁场的负一次方所衰减，而表现为巨大的波动，同时伴随着很多零电阻态；该现象在几个特斯拉的磁场下依然非常清晰。该“介观”行为是弹道约瑟夫森结的典型特征。在高磁场下，直到低于超导电极临界磁场1T的磁场强度下，由畴壁构建的约瑟夫森结均表现出稳健的邻近超导效应。对比拥有不同畴壁数目的器件，发现每一个畴壁可以承载大约10 nA的电流。
图2. 包含不同数目畴壁的约瑟夫森结在量子霍尔机制下的超导电流表征
进一步地，研究发现，拥有单个畴壁的器件在高磁场下表现出了反常的行为，即临界电流几乎不随磁场的改变而变化，直到磁场接近超导电极的临界磁场而消失。如果超导电流是由于量子霍尔态沿畴壁两侧反向传输产生的Andreev束缚态，那么应该会有Aharonov-Bohn振荡产生，其周期为ΔB ≈Ф0/(w+2rc)L<0.1 T，其中2rc表示量子霍尔边缘态延伸入石墨烯体态的距离。然而，这样的周期性行为并没有出现在所研究的约瑟夫森结器件中。这表明高磁场下稳健的超导性与量子霍尔边缘态无关。结合理论计算，明确了该研究中的畴壁不同于众所周知的石墨烯中体态带隙打开而出现的一维态。在双畴壁的器件中，超导电流是单畴壁器件的两倍，表现出随磁场的近乎周期性的振荡，这是由于被两个通道承载的恒定超导电流发生干涉所致。而在多畴壁的器件中，振荡模式表现为非周期性，并且频繁地被漩涡跳变所中断，这是由于多个超导电流通道的存在导致了复杂的干涉图案，而许多位点发生的涡流使该干涉图案更加复杂化。
图3. 单畴壁约瑟夫森结中的Fabry–Pérot振荡
最后，研究探讨了一维邻近超导效应对载流子浓度的响应。在低磁场下，所有的器件表现出类似的行为特征。而区别于以往报道的单层石墨烯约瑟夫森结，不存在Fabry–Pérot 振荡，表明所研究的器件中二维石墨烯与三维超导电极具有良好的耦合。而在量子霍尔机制下，普通金属-超导界面变成了一维-三维耦合：在空穴掺杂一侧由于界面pn结导致的高电阻而不存在超导电流；而在电子掺杂一侧观测到了源于Fabry–Pérot共振的显著振荡行为。令人惊讶的是，即使在中性点附近，该振荡的周期近乎不随掺杂浓度的降低而改变，似乎很难与电子波长通常在零载流子浓度下发散的情况相符合。尽管如此，观察到的周期性与特定的一维通道的预期在定量上是一致的，这是由于即使在中性点，畴壁中依然保留了有限的电子浓度。
总结
AB/BA畴壁在支持量子霍尔体系中的Andreev束缚态具有独特性，其中的临界超导电流接近理论极限值，而不随磁场所变化。该弹道体系不仅为研究低维超导物理提供了有趣的平台，同时能够用于研究多种一维体系相关的现象，例如Luttinger液体等。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07271-w
来源：小柯物理
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