多层石墨烯超导家族：贝里曲率环驱动的动量空间涡旋与手征性调控

前言本研究由加拿大不列颠哥伦比亚大学的Adarsh S. Patri与Marcel Franz教授合作完成。研究团队聚焦于近期在菱面体堆叠多层石墨烯中发现的手征超导现象，旨在从理论上阐明其背后的量子几何根源。

文章DOI:10.1103/pgqh-wm5v.

研究概要

近期实验在菱形堆叠多层石墨烯异质结构中发现了可能源自自旋和谷极化正常态的手性超导迹象，并伴随着反常霍尔效应。这一发现引发了关于电子布洛赫波函数和量子几何张量在确定超导配对通道中作用的广泛讨论。

本研究以N层菱形堆叠石墨烯为模型，探讨了其在存在各向同性吸引相互作用时，由扩展的动量空间贝里曲率环诱导的超导不稳定性。研究发现，局部相互作用有利于奇数N层系统中的N重缠绕超导序参数相位，而偶数N层系统则需要空间扩展的吸引范围才能实现配对。

研究亮点

1.手性超导家族：发现了一系列由贝里曲率环诱导的手性超导体家族，这些超导体具有可调的手性，且由费米-狄拉克统计和贝里通量共同决定序参数的相位缠绕。

2.动量空间涡旋：在多层石墨烯超导体中观察到动量空间涡旋，这些涡旋由贝里曲率环核化，其存在与贝里通量和“统计通量”的量子化条件密切相关。

3.可调超导性：通过改变电子密度或位移场，可以在不改变系统其他参数的情况下，实现不同手性超导相之间的原位调谐，为未来量子器件的设计提供了新的思路。

图文解析

图1.贝里“火环”上动量空间涡旋的成核。

图2.多层石墨烯的微观模型能带与贝里曲率。

图3.局域吸引相互作用下的超导序参量。

图4.非局域吸引相互作用下的超导序参量解。

图5.超导序参量随吸引作用范围α的演化。

图6.偶数层在非局域吸引作用下的超导序参量解。

图7.通过电子密度或位移场在不同手征超导体之间调谐的相变示意图。

编者话

本项理论研究深入探讨了量子几何在二维可调超导体系中的决定性作用，将贝里曲率提升到了与实空间磁场类比的地位。它预言了在菱面体堆叠多层石墨烯中，存在一个由贝里曲率环调控的、相位涡旋结构丰富的超导家族，并且这些态可以通过实验上可及的栅压进行切换。

信息来源：超导探索