新型一维超导体

诸平

Artistic view of the near-field nano-imaging technique used at ICFO to probe bilayer graphene domains and their boundaries. Credits: ©ICFO/ Matteo Ceccanti.

据英国曼彻斯特大学（University of Manchester, Manchester, UK）2024年4月24日提供的消息，多国科学家合作发现了新型一维超导体（Novel One-Dimensional Superconductor）。

在超导领域的一项重大发展中，曼彻斯特大学的研究人员与西班牙巴塞罗那科学技术学院光子科学研究所（ICFO — Institut de Ciencies Fotoniques, The Barcelona Institute of Science and Technology, Castelldefels, Barcelona, Spain）合作，使用新创建的一维(one-dimensional简称1D)系统成功地在高磁场中实现了强大的超导性。这一突破为在量子霍尔体系（quantum Hall regime）中实现超导性提供了一条有希望的途径，这是凝聚态物理（condensed matter physics）中一个长期存在的挑战。

超导性（Superconductivity），即某些材料零电阻导电的能力，对量子技术的进步具有深远的潜力。例如，它被用于未来量子计算机的关键元件。值得注意的是，有人提出，强磁场下强大的超导性可以允许创建容错量子比特（fault-tolerant quantum bits）。然而，在这些条件下，在所谓的量子霍尔体系中实现超导性已被证明是一个巨大的挑战。相关研究结果于2024年4月24日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Julien Barrier, Minsoo Kim, Roshan Krishna Kumar, Na Xin, P. Kumaravadivel, Lee Hague, E. Nguyen, A. I. Berdyugin, Christian Moulsdale, V. V. Enaldiev, J. R. Prance, F. H. L. Koppens, R. V. Gorbachev, K. Watanabe, T. Taniguchi, L. I. Glazman, I. V. Grigorieva, V. I. Fal’ko, A. K. Geim. One-dimensional proximity superconductivity in the quantum Hall regime. Nature, 2024, 628(8009): 741–745. DOI: 10.1038/s41586-024-07271-w. Published: 24 April 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07271-w

参与此项研究的除了来自英国曼彻斯特大学和西班牙巴塞罗那科学技术学院光子科学研究所的研究人员之外，还有来自韩国庆熙大学（Kyung Hee University, Yong-in, South Korea）、中国浙江大学（Zhejiang University, Hangzhou, China）、英国兰开斯特大学（Lancaster University, Lancaster, UK）、日本筑波国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan）已经美国耶鲁大学（Yale University, New Haven, CT, USA）的研究人员。

此文详细介绍了由曼彻斯特大学团队领导的在量子霍尔体系中实现超导性的广泛工作，最近任命的ICFO研究员朱利安·巴里耶（Julien Barrier）博士作为第一作者和通讯作者，与ICFO研究员罗山·克里希纳·库马尔（Roshan Krishna Kumar）博士和ICREA教授弗兰克·科彭斯（Frank Koppens）以及其他国际机构(韩国庆熙大学、英国兰开斯特大学、日本国家材料科学研究所、中国浙江大学、美国耶鲁大学)的研究人员。他们报告了一种新的方法，其中超导性是由一维状态支持的。

一维电子的超导性（Superconductivity with one-dimensional electrons）

研究人员最初在高磁场中诱导超导的努力遵循了该团体的常规路线。在邻近效应中，超导体可以在与其接触的普通金属中诱导其特性。他们打算把沿着器件边缘传播的电子偶联起来。为此，研究小组开始使用一层石墨烯，将其切成两半，两部分之间的距离仅为10 nm左右。人们原以为边缘电流会在较窄的距离内耦合在一起，但实验证明并非如此:电子之间的距离仍然太高。

该团队以获得的知识为基础，接着制作了两层石墨烯层，一层在另一层的上面，错位的角度非常小(大约0.1°)。在这种情况下，由于重要的应变，薄片结构重新排列，导致μm级畴(μm-scale domains)形成非常不同的结构。这些多个区域被狭窄的畴壁(domain walls)隔开，在本研究中就是使用它们。沿着这些畴壁，研究人员证明了电子可以传播。

通过利用这项技术，“我们制造了超导结（superconducting junctions），并在每个设备中观察到相对温和的温度(高达1 K)下非常强的超电流，”朱利安·巴里耶博士解释说。“这是非常令人鼓舞的，但我们不知道畴壁的数量或它们的位置。也许，这是我们必须克服的最大挑战。”

幸运的是，当时ICFO的罗山·克里希纳·库马尔博士和弗兰克·科彭斯教授刚刚发布了一种观察封装器件中的畴壁的技术。“在与罗山·克里希纳·库马尔博士和弗兰克·科彭斯教授讨论后，我们将一些设备送到ICFO进行成像，这使我们能够选择我们确定只有一个或两个畴壁的设备，”朱利安·巴里耶回忆道。

由于这些选定的器件，该团队能够证明畴壁携带单模超电流（single-mode supercurrents），即严格的一维电子状态（1D electronic states）。通过对包含单一畴壁的器件的研究，研究小组能够证明他们原来关于在畴壁两侧形成量子霍尔边缘态并耦合在一起诱导超导性的解释是不正确的。畴壁携带自己的一维电子，在高磁场下支持比传统量子霍尔边缘态（quantum Hall edge states）更强大的超电流。曼彻斯特大学的研究小组还证明，这些状态可以通过栅极电压来控制，而且它们的超导特性可能会受到单个器件中畴壁数的影响。

总的来说，ICFO的成像技术对于证明所观察到的超导性是由纯一维态引起的至关重要，这使得在量子霍尔域（quantum Hall regime）中可以实现这种有效的超导性。

本研究得到了欧洲研究理事会(European Research Council Grant VANDER)、劳氏船级社基金会（Lloyd’s Register Foundation）、地平线2020石墨烯旗舰Core3项目（Horizon 2020 Graphene Flagship Core3 Project）、英国工程与物理科学研究理事会(Engineering and Physical Sciences Research Council简称EPSRC; Grant Nos EP/V007033/1 and EP/S030719/1)、EPSRC博士奖学金（EPSRC Doctoral Prize fellowship）、欧盟地平线计划{EU Horizon programme (Grants 754510, 893030) and the FLAG-ERA programme (PhotoTBG)}、美国国家科学基金会(National Science Foundation Grant DMR-2002275)以及美国海军研究办公室(Office of Naval Research Award N00014-22-1-2764)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

https://scienmag.com/manchester-scientists-found-novel-one-dimensional-superconductor/

https://phys.org/news/2024-04-scientists-dimensional-superconductor.html

Abstract

Extensive efforts have been undertaken to combine superconductivity and the quantum Hall effect so that Cooper-pair transport between superconducting electrodes in Josephson junctions is mediated by one-dimensional edge states^1,2,3,4,5,6. This interest has been motivated by prospects of finding new physics, including topologically protected quasiparticles^7,8,9, but also extends into metrology and device applications^10,11,12,13. So far it has proven challenging to achieve detectable supercurrents through quantum Hall conductors^2,3,6. Here we show that domain walls in minimally twisted bilayer graphene^{14,15,16,17,18} support exceptionally robust proximity superconductivity in the quantum Hall regime, allowing Josephson junctions to operate in fields close to the upper critical field of superconducting electrodes. The critical current is found to be non-oscillatory and practically unchanging over the entire range of quantizing fields, with its value being limited by the quantum conductance of ballistic, strictly one-dimensional, electronic channels residing within the domain walls. The system described is unique in its ability to support Andreev bound states at quantizing fields and offers many interesting directions for further exploration.