菱面体石墨烯的手性超导性

摘要：由多层石墨烯制成的晶体比单层石墨烯晶体更令人着迷。制造这种晶体的一种方法是将新堆叠的每一层向侧面移动晶胞宽度的三分之一。这种所谓的ABC堆叠每三层重复一次，其模式类似于菱面体。四年前，人们在菱面体石墨烯中发现了超导性。现在，麻省理工学院的 Long Ju 和他

纵向电阻（颜色）随电子密度（x轴）和施加电压（y轴）变化的情况。深蓝色区域 SC1、SC2 和 SC3 表示电阻消失的位置，即电子形成超导态的位置。

由多层石墨烯制成的晶体比单层石墨烯晶体更令人着迷。制造这种晶体的一种方法是将新堆叠的每一层向侧面移动晶胞宽度的三分之一。这种所谓的ABC堆叠每三层重复一次，其模式类似于菱面体。四年前，人们在菱面体石墨烯中发现了超导性。现在，麻省理工学院的 Long Ju 和他的合作者在该材料中发现了两种新的超导态。每种状态都表现出手性和磁性——这是以前在超导体中从未见过的特性组合。这些结果表明，研究人员可能正在接近所谓的拓扑超导，这种电子态可能在未来不易出错的量子计算机中发挥作用。加州大学圣巴巴拉分校的物理学家安德里亚·杨 (Andrea Young) 表示：“菱面体石墨烯可能是目前发现的拓扑超导体的最佳候选材料，尽管他并未参与这项研究。”

人们对菱面体石墨烯的兴趣源于其能带形状。单层石墨烯的导带和价带在一点处交汇，而ABC堆叠结构则将这些交汇点分裂，使能带变平。占据平能带的电子无论动量如何，都具有相同的低能量。这些运动迟缓的电子之间的相互作用比占据半导体特征中更尖锐能带的电子之间的相互作用相对较强。在菱面体石墨烯中，平能带、晶体对称性和电子占据规则的结合创造了一种起伏的、自旋相关的结构，各种集体电子现象都可能在此结构中发生。实验人员主要有两种方法来引导这种结构中的电子。首先，他们可以向晶体中注入额外的电子，从而提高密度并将电子推向更高能量的位置。其次，研究人员可以在晶体上施加电压，从而抬高并拉平结构本身。

Ju和他的同事们采用了这种双管齐下的方法，这种方法已经使他们和其他人发现了菱面体石墨烯中的超导性、铁磁性和分数量子反常霍尔效应。该团队制作了4层和5层的菱面体石墨烯样品，并为其配备了电极。他们测量了电阻，发现在施加电场和注入电子密度的参数空间中的三个不同区域中，电阻消失了。这些区域——团队将其标记为SC1、SC2和SC3——在之前的菱面体石墨烯超导研究中从未被发现过。

为了探索这些新的超导态，研究人员专注于每个区域中电子的配对类型。电子对的特征在于它们的总自旋S和轨道角动量L。由于电子对由两个自旋为 1/2 的费米子组成，因此S的值要么为 0，要么为 1。又由于电子对的波函数是反对称的，因此L的值取决于S：如果S = 0，则L必定为偶数；如果S = 1，则L必定为奇数。一个特别有趣的组合是S = 1 且L = 1，因为该状态将是手性的。在这种情况下，手性与镜像对称性（如左手和右手结构）无关，而是涉及时间反转对称性：当时间变量反向运行时，轨道角动量的方向会改变符号。

为了确定三种超导状态下的S值和L值，Ju和他的同事进行了一系列测试。施加0.1特斯拉(T)的中等垂直磁场足以破坏SC3，这表明该超导状态下的电子对具有反向平行( S = 0)配对，并且它们的耦合基于传统的Bardeen-Cooper-Schrieffer模型。但SC1和SC2在0.6 T以上仍能存活。此外，SC1和SC2也基本不受平面磁场的影响，这表明电子具有平行( S = 1)配对。

虽然无法直接测量L，但研究人员发现了强有力的证据，证明在SC1和SC2中L不为零。首先，他们观察到，当施加的磁场在-0.1 T和+0.1 T之间来回变化时，样品的电阻会出现磁滞现象。这种磁滞现象表明SC1和SC2态具有铁磁性。此外，相邻金属态的电阻在0 T时表现出霍尔效应，即异常霍尔效应。铁磁性和异常霍尔效应都是电子轨道动量不为零的表现。

SC1 和 SC2 具有磁性和手性，这表明它们之间的电子耦合可能与更传统的超导体不同。事实上，如果耦合使成对的电子彼此足够接近，它们就可能形成拓扑超导态。拓扑超导的特征是马约拉纳模式——一种预计存在于这些材料边缘的稳健集体拓扑态。然而，成对的电子可能太接近，在这种情况下它们无法形成拓扑态。根据纵向电阻对垂直磁场的依赖关系，Ju 和他的合作者可以推断出 SC1 和 SC2 中电子对的大小。Ju 说，在这两者中，SC1 不太可能是拓扑的，而 SC2 是，但也都不在“太接近”的范围内。

即使SC1和SC2最终都不是拓扑的，它们仍然是独一无二的。“SC1和SC2在现象学上与所有其他超导体截然不同，考虑到超导性的悠久历史，这是一件了不起的事情，”Ju说道。