发布日期：2026-09-13 06:47    点击次数：95

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英国曼彻斯特大学Andre Geim（2010年诺贝尔物理学奖得主）课题组领衔的国外研究团队，愚弄新式一维体系，在高磁场下不雅测到了郑重的超导表象。这一冲破为惩处凝合态物理范围中恒久存在的挑战之一博彩网站排行，即在量子霍尔机制下完结超导性，提供了一个灵验的阶梯。

北京时辰2024年4月24日，该研究效能以“One-dimensional proximity superconductivity in the quantum Hall regime”为题在线发表于Nature。

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通信作家为曼彻斯特大学Julien Barrier博士，浙江大学化学系辛娜研究员，曼彻斯特大学Andre Geim教会。

超导性，即某些材料以零电阻导电的智商，其对量子工夫的向上具有真切的后劲；而在以量子化电导为特征的量子霍尔机制下完结超导性存在着深广的挑战。基于准一维导体动作弱鸠合构建左近超导性，在基础研究和应用方面齐具有要紧意旨。约瑟夫森结中的临界电灵时常会受到相配弱的垂直磁场的羁系，这是由于沿着不同轨迹传输的库珀对之间的Fraunhofer干与效应所致。如果愚弄严格的一维态来构建左近超导性，将大致灵验收缩垂直磁场的羁系作用，从而使超导量子干与器件在高磁场下初始。异常引东谈主温和的是将量子霍尔导电体动作弱鸠合，将大致完结栅压可调的一维态，也不错完结拓扑保护的多体准粒子。然而刻下的推行进展主要局限于不雅察超导电极对平时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边际态。近来，基于石墨烯的约瑟夫森结在量子霍尔机制下的左近超导效应见诸报谈，发现由量子霍尔边际态复古的超导电流极其脆弱（mK温度下的临界电流在1nA掌握）而导致左近超导效应的重现性较差。

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该研究团队别具肺肠，愚弄Bernal堆垛的双层石墨烯中AB和BA畴区规模，构建出量子化磁场下弹谈的严格一维导线，用以鸠合超导电极，完结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掌握的AB/BA畴壁；愚弄光电流扫描显微工夫表征畴区结构；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，愚弄平时态的电子输运来估算所测试的约瑟夫森结中的畴壁的数量：在中性点，领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孝顺接近4e2/h。发现光学可视化与电学表征所获取的畴壁数量是一致的。

图1. 单畴壁约瑟夫森结暗示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，主如若由于其完结了约瑟夫森结中平时金属-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，悉数的器件均默契出典型的石墨烯约瑟夫森结特征：电导由Fraunhofer干与颤动所主导。在中等磁场强度下，分裂于传统的超导-普通金属-超导结，临界电流不随磁场的负一次方所衰减，而默契为深广的波动，同期伴跟着好多零电阻态；该表象在几个特斯拉的磁场下已经相配明晰。该“介不雅”行动是弹谈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，Bookmaker由畴壁构建的约瑟夫森结均默契出郑重的左近超导效应。对比领有不同畴壁数谋略器件，发现每一个畴壁不错承载大要10 nA的电流。

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图2. 包含不同数量畴壁的约瑟夫森结在量子霍尔机制下的超导电流表征

进一局面，研究发现，领有单个畴壁的器件在高磁场下默契出了反常的行动，即临界电流真实不随磁场的改动而变化，直到磁场接近超导电极的临界磁场而湮灭。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敛迹态，那么应该会有Aharonov-Bohn颤动产生，其周期为ΔB ≈Ф0/(w+2rc)L<0.1 T，其中2rc线路量子霍尔边际态延长入石墨烯身形的距离。然而，这么的周期性行动并莫得出咫尺所研究的约瑟夫森结器件中。这标明高磁场下郑重的超导性与量子霍尔边际态无关。衔尾表面贪图，明确了该研究中的畴壁不同于无人不晓的石墨烯中身形带隙翻开而出现的一维态。在双畴壁的器件中，超导电流是单畴壁器件的两倍，默契出随磁场的近乎周期性的颤动，这是由于被两个通谈承载的恒定超导电流发生干与所致。而在多畴壁的器件中，颤动阵势默契为非周期性，何况时时地被旋涡跳变所中断，这是由于多个超导电绽放谈的存在导致了复杂的干与图案，而许多位点发生的涡流使该干与图案愈加复杂化。

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图3. 单畴壁约瑟夫森结中的Fabry–Pérot颤动

临了，研究筹商了一维左近超导效应付载流子浓度的反应。在低磁场下，悉数的器件默契出近似的行动特征。而分裂于以往报谈的单层石墨烯约瑟夫森结，不存在Fabry–Pérot 颤动，标明所研究的器件中二维石墨烯与三维超导电极具有致密的耦合。而在量子霍尔机制下，普通金属-超导界面酿成了一维-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；而在电子掺杂一侧不雅测到了源于Fabry–Pérot共振的权贵颤动行动。令东谈主讶异的是，即使在中性点隔壁，该颤动的周期近乎不随掺杂浓度的镌汰而改动，似乎很难与电子波长凡俗在零载流子浓度下发散的情况相相宜。尽管如斯，不雅察到的周期性与特定的一维通谈的预期在定量上是一致的，这是由于即使在中性点，畴壁中已经保留了有限的电子浓度。

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归来

AB/BA畴壁在复古量子霍尔体系中的Andreev敛迹态具有专有性，其中的临界超导电流接近表面极限值，而不随磁局面变化。该弹谈体系不仅为研究低维超导物理提供了趣味的平台，同期大致用于研究多种一维体系相关的表象，举例Luttinger液体等。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07271-w

泉源：小柯物理

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