麻省理工Nature，手性超导！菱形石墨烯

金也 18小时前 88浏览

 

【科学背景】

超导现象是物理学中的一个重要领域，其中手性超导体因其独特的物理性质备受关注。手性超导体是一种非常规超导态，能够自发地打破时间反演对称性，并且通常具有非零角动量的库珀配对。这种超导态可能容纳马约拉纳费米子，为拓扑物理研究和容错量子计算提供了重要的平台。然而，尽管科学家们对多种候选体系进行了长期研究，手性超导性一直难以捉摸。

近年来，石墨烯作为一种二维材料，因其独特的电子结构和物理性质，成为研究超导现象的理想材料。本文研究了菱形多层石墨烯中的超导现象，揭示了其可能的手性超导特性，为拓扑超导研究开辟了新的方向。

【科学贡献】

近期，麻省理工学院团队发表了题为“Signatures of chiral superconductivity in rhombohedral graphene”的论文。该研究聚焦于菱形四层和五层石墨烯中的超导现象，发现了一种不依赖于摩尔超晶格效应的强健非常规超导态。研究团队在门控诱导的平导带中观察到两个超导态，临界温度（Tc）高达300 mK，电荷密度（ne）低至2.4×10¹¹ cm⁻²。研究结果表明，这些超导态具有自发的时间反演对称性破缺，并表现出手性超导的特征，如在垂直磁场下电阻的磁滞现象、对平面内磁场的鲁棒性以及零磁场下的反常霍尔信号。该研究不仅为研究拓扑超导提供了纯碳材料平台，还为探索马约拉纳模式和拓扑量子计算提供了新的可能性。  

图1  菱形堆叠四层和五层石墨烯的超导相图

图2  超导态下电阻随磁场变化的磁滞回线

图3  超导态正常态的温度依赖性反常霍尔效应和磁滞回线

图4  超导态正常态的温度依赖性反常霍尔效应和磁滞回线

图5  超导态正常态的温度依赖性反常霍尔效应和磁滞回线

【创新点】

  1. 超导态的自发时间反演对称性破缺：研究团队首次在菱形堆叠石墨烯中观察到超导态的自发时间反演对称性破缺，这是手性超导性的关键特征。这一发现突破了传统超导体的限制，为研究非常规超导机制提供了新的模型。（图2）。
  2. 超导态的轨道磁性和谷极化：通过磁场扫描和量子振荡测量，研究团队揭示了超导态的轨道磁性和谷极化特性。这种特性使得超导态在垂直磁场下表现出极高的临界磁场，远高于传统石墨烯超导体，为强耦合超导研究提供了新的方向（图3）。
  3. 强耦合超导性：研究团队发现，菱形堆叠石墨烯中的超导态接近BCS-BEC交叉区域，表现出强烈的电子耦合。这一发现不仅为理解强耦合超导机制提供了新的实验依据，也为实现拓扑量子计算提供了新的材料平台（图5）。

【科学启迪】

本文为超导物理领域带来了新的突破。该研究不仅首次在纯碳材料中观察到手性超导性，还揭示了其独特的物理特性，如自发的时间反演对称性破缺和轨道磁性。这些发现不仅为理解非常规超导机制提供了新的视角，也为实现拓扑量子计算奠定了基础。未来的研究可以进一步探索手性超导态的微观机制，以及如何利用这些特性开发新型量子器件。

 

文章详情： https://doi.org/10.1038/s41586-025-09169-7

 

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