石墨烯之父，诺奖得主最新Nature！

研究背景

近年来，在超导性和量子霍尔效应相结合的情境下，出现了一些新的物理现象，比如涉及磁通隧穿的现象以及通过量子相滑动来实现安培标准的前景。然而，实现这些现象并不容易，因为传统约瑟夫森结中的超导电流通常会受到垂直磁场的抑制，这是由于库珀对在不同轨道上传播时产生的弗劳恩霍夫类型的干涉效应。因此，科学家们面临着如何在量子霍尔效应的条件下实现稳定的超导电流的挑战。

为了解决这一问题，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携手利用了双层石墨烯中的畴壁，这些畴壁被发现可以作为严格的一维导线，在石墨烯的块体区域完全绝缘时连接超导电极。这一想法的提出激发了研究者们的兴趣，并促使他们采取了一系列的实验和理论工作。

成果简介

具体而言，研究者们使用了最小扭曲石墨烯双层（MTGBs）作为研究对象，并通过实验制备了一系列的约瑟夫森结。这些约瑟夫森结的制备过程包括了将单层石墨烯切割成两块，然后通过平行传输和微小的旋转将它们叠加在一起。这种组装导致了石墨烯晶格的重构，形成了具有AB和BA堆叠区域的双层石墨烯。而这些区域之间的边界被发现可以作为严格的一维导线，连接了超导电极。通过对这些结的特性进行详细的实验研究，研究人员发现了一些有趣的现象，并得出了一些重要的结论。相关成果在Nature顶刊发题为“One-dimensional proximity superconductivity in the quantum Hall regime”的研究论文。其中论文其他通作者讯为曼彻斯特大学Julien Barrier博士，浙江大学化学系辛娜研究员。

图文导读

图1的研究展示了包含MTGB（最小扭曲双层石墨烯）中畴壁的约瑟夫森结。在图中，a部分展示了器件示意图，插图展示了AB和BA堆叠的区域，通过施加门电压来调节载流子密度。顶部插图显示了器件的假彩色电子显微图，其中MTGB显示为绿色，NbTi超导电极显示为黄色。b部分展示了具有单个畴壁的约瑟夫森结在小磁场下Idc的微分电阻，显示出与弗劳恩霍夫图案的明显偏离。c部分展示了相同结构在量子霍尔区域的dV/dI曲线示例。d部分是以10mT步长测量的全图，红色曲线表示Ic的峰值位置，白色曲线标记了零电阻状态边界。这些数据对应于具有特定尺寸和参数的边缘型结构。研究人员通过这些实验发现，在MTGB中的畴壁可以作为弱链接，在量子霍尔效应区域内支持超导性，而且其临界电流非常稳定，可以在不同磁场下工作。这一发现为构建在量子霍尔效应基础上的超导量子器件提供了新的思路和可能性。

图1. 在最小转角双层石墨烯MTGB中，包含畴壁的约瑟夫森结。

在本研究中，为了探索量子霍尔效应下的邻近超导性，作者制备了不同数量畴壁的约瑟夫森结。图2显示了不同畴壁数量下的差分电阻图谱。在(a)中，对于没有畴壁的结构，未观察到明显的超电流迹象。然而，当引入单个畴壁时，在(b)中，可见在量子霍尔区域内出现了明显的超电流。进一步增加畴壁数量至两个，(c)中的图谱显示了更大的超电流，且具有周期性的振荡特征。最后，在(d)中，具有多个畴壁的结构展现了复杂的超电流模式，其振荡更为不规则。这些结果表明，随着畴壁数量的增加，超导性的表现变得更加丰富和复杂，突显了畴壁在量子霍尔效应中的重要作用。

图2. 不同数量畴壁，量子霍尔机制中的超电流。

最后，作者讨论了载流子密度n对一维近距离超导性的影响。在低磁场下，作者所有约瑟夫森结的n依赖性都相似，无论是否存在畴壁（图3a）。与之前使用单层石墨烯制造的约瑟夫森结的相比，作者设备的唯一显著差异是在作者的设备中几乎没有法布里-珀罗振荡。这种振荡需要正常金属-超导体界面的有限透明度才能产生驻波，先前在掺杂空穴时因界面p-n结提供了适当条件而观察到这种振荡。作者的双层约瑟夫森结的二维-三维界面非常透明，即使在掺杂空穴的情况下，也只会在零磁场附近产生微弱的法布里-珀罗振荡（图3a）。在量子霍尔区域，正常金属-超导体界面的性质变成了一维-三维，掺杂空穴时无法检测到超电流，因为界面pn结的电阻很高（图3b）。另一方面，当掺杂电子时，Ic(n)中出现了明显的振荡，因为一维-三维界面更透明。

这些振荡归因于法布里-珀罗共振，每当一维费米波长的一半的整数倍与畴壁长度L相匹配时发生（图3b）。观察到的法布里-珀罗振荡的一个令人惊讶的特征是，它们的周期随着n的减小变化很小，即使在接近中性点时也是如此（图3b、c）。这种行为在方法中有详细描述，似乎很难与电子波长通常在零载流子密度处发散的情况相协调。尽管如此，观察到的周期性与作者特定的一维通道预期的周期性非常吻合，其中畴壁内的电子即使在电荷中性双层中也保持有限密度。

图3. 单畴壁提供的超电流中的Fabry–Pérot振荡。

总结展望

本研究展示了在量子霍尔效应区域内的AB/BA领畴壁能够支持Andreev束缚态，并且在这些区域内产生高临界电流，而且几乎不受外加磁场的影响。这一发现在理论和实验方面都具有重要的科学启迪。

首先，它为探索新型拓扑保护的准粒子提供了一个重要平台，这对于量子计算等领域具有潜在的重要意义。其次，这项研究为制备高性能的量子霍尔效应相关器件提供了新思路，例如超导量子干涉器件。此外，通过研究一维超导性在不同载流子密度下的行为，可以更深入地理解超导性在低维系统中的特性。此外，本研究还提出了未来研究的有趣方向，例如通过打开双层石墨烯中的能隙来实现拓扑保护的手性超电流，以及探索超电流与分数和偶分母量子霍尔态的相互作用。

文献信息

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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