扭曲石墨烯近年成为一种高度可调的二维超导平台——仅通过改变载流子密度即可在超导、绝缘与金属相之间切换,从而在单一材料内构建可原位调控的超导纳米器件。作为二维超导体,它展现出准长程序、Berezinskii-Kosterlitz-Thouless 相变以及显著的涨落动力学等一系列特征,而这些涨落在拓扑上表现为皮尔涡旋。由于平带带来的低载流子密度与大有效质量,体系具有较小的超流密度和较大的方块电阻,使得热涨落与量子涨落均被显著增强,因而石墨烯特别适合研究涡旋动力学。在低温下,宏观量子涨落会直接影响超导器件的性能,包括电流的持续性以及超导量子比特的相干运行。以往关于超导结中宏观量子效应的研究主要针对约瑟夫森结自身的相位动力学,而单个皮尔涡旋进出超导引线时的宏观量子动力学一直缺乏直接的实验探测手段。
近日，苏黎世联邦理工学院 Marta Perego 博士研究生(通讯作者)等人利用一个栅极定义的约瑟夫森结作为单涡旋传感器，直接探测了魔角扭曲石墨烯中单个皮尔涡旋的实时动力学。研究采用扭角约 1.64° 的魔角扭曲四层石墨烯(MAT4G),将超导引线调至超导穹顶边缘的“弱引线”区。测量发现,在较高温度(T > 100 mK)下,涡旋通过经典热激活越过边界势垒进出引线;而在低温(T < 90 mK)下速率趋于饱和,涡旋转而通过宏观量子隧穿穿越势垒，数据符合一个尖锐的、一级相变型的量子—经典转变。定量分析给出涡旋进出的边界势垒高度约为 2.64 K 量级,并估计势垒厚度约为 100 nm。该工作为对涡旋涨落敏感的超导器件(如量子比特与量子传感器)的设计与运行提供了指导。
图1 涡旋速率的温度依赖与自由能势垒。
图2 器件结构与单涡旋探测原理。
图3 涡旋涨落产生的电报噪声式开关信号。
图4 临界电流随温度的变化。
本工作以栅极定义的约瑟夫森结作为单涡旋传感器,在魔角扭曲石墨烯中实现了对单个涡旋及其实时动力学的输运探测。观测到的电报噪声式开关信号被归因于涡旋穿越超导引线;随着温度降低、速率饱和,越过边界势垒的热激活让位于宏观量子隧穿。基于自由能势垒模型,作者进一步提取出伦敦穿透深度 λL ≈ 2.7 μm、方块电阻 R□ ≈ 2 kΩ、相干长度 ξ ≈ 40 nm,并给出隧穿距离约为 W/8 ≈ 3.5ξ,与势垒厚度估计相符。值得注意的是,实测作用量在接近转变温度 T0 ≈ 100 mK 时几乎保持常数,且转变比立方抛物势所预言的光滑二级转变尖锐得多。
作者将此归因于薄膜中皮尔涡旋自由能势垒的形状与立方抛物势存在本质差异(边缘因镜像效应而陡峭上升、极大值处相对平坦),从而导致更弱的温度依赖并开启一级型转变的可能。尽管“低温饱和源于宏观量子隧穿”这一结论常受质疑(例如可能源于低温热平衡失效),但临界电流 Ic(T) 在最低测量温度下仍保持清晰的温度依赖,证实器件已充分热平衡。该结果为涡旋涨落会带来不利影响的敏感超导器件的设计与运行提供了指导。
原文：https://doi.org/10.1103/1vnb-k7zd
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