研究背景

近年來，在超導性和量子霍爾效應相結合的情境下，出現了一些新的物理現象，比如涉及磁通隧穿的現象以及通過量子相滑動來實現安培標准的前景。然而，實現這些現象並不容易，因爲傳統約瑟夫森結中的超導電流通常會受到垂直磁場的抑制，這是由于庫珀對在不同軌道上傳播時産生的弗勞恩霍夫類型的幹涉效應。因此，科學家們面臨著如何在量子霍爾效應的條件下實現穩定的超導電流的挑戰。

爲了解決這一問題，英國曼徹斯特大學Andre Geim（2010年諾貝爾物理學獎得主）課題組領銜的國際研究團隊攜手利用了雙層石墨烯中的疇壁，這些疇壁被發現可以作爲嚴格的一維導線，在石墨烯的塊體區域完全絕緣時連接超導電極。這一想法的提出激發了研究者們的興趣，並促使他們采取了一系列的實驗和理論工作。

成果簡介

具體而言，研究者們使用了最小扭曲石墨烯雙層（MTGBs）作爲研究對象，並通過實驗制備了一系列的約瑟夫森結。這些約瑟夫森結的制備過程包括了將單層石墨烯切割成兩塊，然後通過平行傳輸和微小的旋轉將它們疊加在一起。這種組裝導致了石墨烯晶格的重構，形成了具有AB和BA堆疊區域的雙層石墨烯。而這些區域之間的邊界被發現可以作爲嚴格的一維導線，連接了超導電極。通過對這些結的特性進行詳細的實驗研究，研究人員發現了一些有趣的現象，並得出了一些重要的結論。相關成果在Nature頂刊發題爲“One-dimensional proximity superconductivity in the quantum Hall regime”的研究論文。其中論文其他通作者訊爲曼徹斯特大學Julien Barrier博士，浙江大學化學系辛娜研究員。

圖文導讀

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。在圖中，a部分展示了器件示意圖，插圖展示了AB和BA堆疊的區域，通過施加門電壓來調節載流子密度。頂部插圖顯示了器件的假彩色電子顯微圖，其中MTGB顯示爲綠色，NbTi超導電極顯示爲黃色。b部分展示了具有單個疇壁的約瑟夫森結在小磁場下Idc的微分電阻，顯示出與弗勞恩霍夫圖案的明顯偏離。c部分展示了相同結構在量子霍爾區域的dV/dI曲線示例。d部分是以10mT步長測量的全圖，紅色曲線表示Ic的峰值位置，白色曲線標記了零電阻狀態邊界。這些數據對應于具有特定尺寸和參數的邊緣型結構。研究人員通過這些實驗發現，在MTGB中的疇壁可以作爲弱鏈接，在量子霍爾效應區域內支持超導性，而且其臨界電流非常穩定，可以在不同磁場下工作。這一發現爲構建在量子霍爾效應基礎上的超導量子器件提供了新的思路和可能性。

圖1. 在最小轉角雙層石墨烯MTGB中，包含疇壁的約瑟夫森結。

在本研究中，爲了探索量子霍爾效應下的鄰近超導性，作者制備了不同數量疇壁的約瑟夫森結。圖2顯示了不同疇壁數量下的差分電阻圖譜。在(a)中，對于沒有疇壁的結構，未觀察到明顯的超電流迹象。然而，當引入單個疇壁時，在(b)中，可見在量子霍爾區域內出現了明顯的超電流。進一步增加疇壁數量至兩個，(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。最後，在(d)中，具有多個疇壁的結構展現了複雜的超電流模式，其振蕩更爲不規則。這些結果表明，隨著疇壁數量的增加，超導性的表現變得更加豐富和複雜，突顯了疇壁在量子霍爾效應中的重要作用。

圖2. 不同數量疇壁，量子霍爾機制中的超電流。

最後，作者討論了載流子密度n對一維近距離超導性的影響。在低磁場下，作者所有約瑟夫森結的n依賴性都相似，無論是否存在疇壁（圖3a）。與之前使用單層石墨烯制造的約瑟夫森結的相比，作者設備的唯一顯著差異是在作者的設備中幾乎沒有法布裏-珀羅振蕩。這種振蕩需要正常金屬-超導體界面的有限透明度才能産生駐波，先前在摻雜空穴時因界面p-n結提供了適當條件而觀察到這種振蕩。作者的雙層約瑟夫森結的二維-三維界面非常透明，即使在摻雜空穴的情況下，也只會在零磁場附近産生微弱的法布裏-珀羅振蕩（圖3a）。在量子霍爾區域，正常金屬-超導體界面的性質變成了一維-三維，摻雜空穴時無法檢測到超電流，因爲界面pn結的電阻很高（圖3b）。另一方面，當摻雜電子時，Ic(n)中出現了明顯的振蕩，因爲一維-三維界面更透明。

這些振蕩歸因于法布裏-珀羅共振，每當一維費米波長的一半的整數倍與疇壁長度L相匹配時發生（圖3b）。觀察到的法布裏-珀羅振蕩的一個令人驚訝的特征是，它們的周期隨著n的減小變化很小，即使在接近中性點時也是如此（圖3b、c）。這種行爲在方法中有詳細描述，似乎很難與電子波長通常在零載流子密度處發散的情況相協調。盡管如此，觀察到的周期性與作者特定的一維通道預期的周期性非常吻合，其中疇壁內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。

總結展望

本研究展示了在量子霍爾效應區域內的AB/BA領疇壁能夠支持Andreev束縛態，並且在這些區域內産生高臨界電流，而且幾乎不受外加磁場的影響。這一發現在理論和實驗方面都具有重要的科學啓迪。

首先，它爲探索新型拓撲保護的准粒子提供了一個重要平台，這對于量子計算等領域具有潛在的重要意義。其次，這項研究爲制備高性能的量子霍爾效應相關器件提供了新思路，例如超導量子幹涉器件。此外，通過研究一維超導性在不同載流子密度下的行爲，可以更深入地理解超導性在低維系統中的特性。此外，本研究還提出了未來研究的有趣方向，例如通過打開雙層石墨烯中的能隙來實現拓撲保護的手性超電流，以及探索超電流與分數和偶分母量子霍爾態的相互作用。

文獻信息

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