研究快讯 | 四层菱方石墨烯中的手性有限动量超导

论文亮点

对于最近实验上发现四层菱方石墨烯中出现的超导，本文提出通过电子间的屏蔽库仑相互作用来解释，并得到了与实验定性相符的相图，且对各个超导态的配对本质进行了分析。

本文发现超导相SC1和SC2的对称性质很可能是自旋极化并且谷极化的手性配对，特别地，谷极化会导致有限动量配对。超导性质受强关联效应、相位涨落影响很大。

图文摘要

（a）实验的示意相图，其中标出了超导相SC1-SC4以及高电阻、自旋谷极化的区域。（b）本文理论计算所得的示意相图，其中超导区域、低超导转变温度限制区域（黑色线以内）、大r_s区域（浅蓝色线以内）被标出。（c）计算所得的配对能隙的相位分布表现出手性p波对称性。（d）超导凝聚能对配对动量Q的依赖性，图中q=Q-2k。凝聚能的极小值出现在q=0处。（e）超导能隙对电位移场u、电子密度n的依赖性。(f) 超导转变温度的上界对u, n的依赖性。

研究背景

近年来，多层石墨烯体系引起了学界广泛的注意。该系统具有多样可调的参数，如自旋、谷、扭角、层数、电位移场、粒子数密度、磁场、自旋轨道耦合等。在不同的参数下，该系统展现出丰富的物态，如非常规超导、磁性、整数量子反常霍尔效应、分数量子反常霍尔效应、Wigner晶体等。最近，四层菱方石墨烯中发现了超导，其中一系列的测量结果，包括反常霍尔效应、电阻随磁场的回滞、超导态极高的上临界场、与电子间距离相当的超导相干长度等，都表明其超导态是非常规的。但是关于超导配对的机制是什么、配对类型是怎样的、超导相图如何理解等，这些问题都没有得到很好地解决。该体系电子能带很平，增强了其中电子间的有效相互作用，且载流子密度很低压制了超流密度，导致强烈的相位涨落。这就引发了一个问题，这个体系的超导是由相位涨落主导呢，还是直接由配对强度决定呢？

内容简介

基于上述问题，西湖大学物理系吴从军、秦琼团队提出通过Kohn-Luttinger机制结合相位涨落相关理论，分析这个体系的非常规超导现象。他们基于随机相位近似下的屏蔽库仑势，进行了四层菱方石墨烯中超导的自洽平均场计算，发现手性p波为主导的配对对称性，自发破坏了时间反演对称性，并且配对动量非零，导致实空间的配对密度波。通过低温超导能隙对电子密度、电位移场依赖的计算，可大致确定超导出现的参数范围，和实验定性符合。计算表明，在相图上存在因为强烈的相位涨落而超导温度被压制很低的区域，这些区域与实验中高电阻区域形状和位置类似，这说明在电子密度很低的情况下，对超导的抑制的主要因素来自于相位涨落。体系的相互作用强度可以用一个特征量来表征，r_s，即相互作用与动能的比率。在SC1与SC2交界处，r_s很大，关联效应很可能会诱导出Wigner 晶体相或者自旋谷极化金属相，将其分开。通过对超流密度与BKT转变温度的分析，可以确定BKT转变温度。然而基于平均场理论得到的超流密度所给出的BKT转变温度，仍然比实验值高出一个量级。实验测量到的超导转变温度，会被强关联效应进一步压制，对这些问题的分析有待于将来进一步的研究。

总结与展望

该工作提出在四层菱方石墨烯体系中出现的超导可能为手性拓扑超导，该超导相存在着强烈的相位涨落，且表现出时间反演对称性的自发破缺。这使得该体系可能会涌现出更多的新奇现象，如二极管效应、电荷6e超导等。

文献信息

Chiral Finite-Momentum Superconductivity in the Tetralayer Graphene

DOI: 10.1088/0256-307X/43/3/030708