多層石墨烯超導家族：貝里曲率環驅動的動量空間渦旋與手征性調控

前言本研究由加拿大不列顛哥倫比亞大學的Adarsh S. Patri與Marcel Franz教授合作完成。研究團隊聚焦于近期在菱面體堆疊多層石墨烯中發現的手征超導現象，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

近期實驗在菱形堆疊多層石墨烯異質結構中發現了可能源自自旋和谷極化正常態的手性超導跡象，并伴隨著反常霍爾效應。這一發現引發了關于電子布洛赫波函數和量子幾何張量在確定超導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，由擴展的動量空間貝里曲率環誘導的超導不穩定性。研究發現，局部相互作用有利于奇數N層系統中的N重纏繞超導序參數相位，而偶數N層系統則需要空間擴展的吸引范圍才能實現配對。

研究亮點

1.手性超導家族：發現了一系列由貝里曲率環誘導的手性超導體家族，這些超導體具有可調的手性，且由費米-狄拉克統計和貝里通量共同決定序參數的相位纏繞。

2.動量空間渦旋：在多層石墨烯超導體中觀察到動量空間渦旋，這些渦旋由貝里曲率環核化，其存在與貝里通量和“統計通量”的量子化條件密切相關。

3.可調超導性：通過改變電子密度或位移場，可以在不改變系統其他參數的情況下，實現不同手性超導相之間的原位調諧，為未來量子器件的設計提供了新的思路。

圖文解析

圖1.貝里“火環”上動量空間渦旋的成核。

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序參量。

圖4.非局域吸引相互作用下的超導序參量解。

圖5.超導序參量隨吸引作用范圍α的演化。

圖6.偶數層在非局域吸引作用下的超導序參量解。

圖7.通過電子密度或位移場在不同手征超導體之間調諧的相變示意圖。

編者話

本項理論研究深入探討了量子幾何在二維可調超導體系中的決定性作用，將貝里曲率提升到了與實空間磁場類比的地位。它預言了在菱面體堆疊多層石墨烯中，存在一個由貝里曲率環調控的、相位渦旋結構豐富的超導家族，并且這些態可以通過實驗上可及的柵壓進行切換。

信息來源：超導探索