前言本研究由加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的Adarsh S. Patri與Marcel Franz教授合作完成。研究團(tuán)隊(duì)聚焦于近期在菱面體堆疊多層石墨烯中發(fā)現(xiàn)的手征超導(dǎo)現(xiàn)象，旨在從理論上闡明其背后的量子幾何根源。

文章DOI:10.1103/pgqh-wm5v.

研究概要

近期實(shí)驗(yàn)在菱形堆疊多層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了可能源自自旋和谷極化正常態(tài)的手性超導(dǎo)跡象，并伴隨著反常霍爾效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了關(guān)于電子布洛赫波函數(shù)和量子幾何張量在確定超導(dǎo)配對通道中作用的廣泛討論。

本研究以N層菱形堆疊石墨烯為模型，探討了其在存在各向同性吸引相互作用時(shí)，由擴(kuò)展的動(dòng)量空間貝里曲率環(huán)誘導(dǎo)的超導(dǎo)不穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，局部相互作用有利于奇數(shù)N層系統(tǒng)中的N重纏繞超導(dǎo)序參數(shù)相位，而偶數(shù)N層系統(tǒng)則需要空間擴(kuò)展的吸引范圍才能實(shí)現(xiàn)配對。

研究亮點(diǎn)

1.手性超導(dǎo)家族：發(fā)現(xiàn)了一系列由貝里曲率環(huán)誘導(dǎo)的手性超導(dǎo)體家族，這些超導(dǎo)體具有可調(diào)的手性，且由費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)和貝里通量共同決定序參數(shù)的相位纏繞。

2.動(dòng)量空間渦旋：在多層石墨烯超導(dǎo)體中觀察到動(dòng)量空間渦旋，這些渦旋由貝里曲率環(huán)核化，其存在與貝里通量和“統(tǒng)計(jì)通量”的量子化條件密切相關(guān)。

3.可調(diào)超導(dǎo)性：通過改變電子密度或位移場，可以在不改變系統(tǒng)其他參數(shù)的情況下，實(shí)現(xiàn)不同手性超導(dǎo)相之間的原位調(diào)諧，為未來量子器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

圖文解析

圖1.貝里“火環(huán)”上動(dòng)量空間渦旋的成核。

圖2.多層石墨烯的微觀模型能帶與貝里曲率。

圖3.局域吸引相互作用下的超導(dǎo)序參量。

圖4.非局域吸引相互作用下的超導(dǎo)序參量解。

圖5.超導(dǎo)序參量隨吸引作用范圍α的演化。

圖6.偶數(shù)層在非局域吸引作用下的超導(dǎo)序參量解。

圖7.通過電子密度或位移場在不同手征超導(dǎo)體之間調(diào)諧的相變示意圖。

編者話

本項(xiàng)理論研究深入探討了量子幾何在二維可調(diào)超導(dǎo)體系中的決定性作用，將貝里曲率提升到了與實(shí)空間磁場類比的地位。它預(yù)言了在菱面體堆疊多層石墨烯中，存在一個(gè)由貝里曲率環(huán)調(diào)控的、相位渦旋結(jié)構(gòu)豐富的超導(dǎo)家族，并且這些態(tài)可以通過實(shí)驗(yàn)上可及的柵壓進(jìn)行切換。

信息來源：超導(dǎo)探索