超導(dǎo)性和量子霍爾效應(yīng)這兩個(gè)迷人的現(xiàn)象，幾十年來(lái)一直吸引著物理學(xué)家的目光。超導(dǎo)性允許材料以零電阻傳導(dǎo)電流，而量子霍爾效應(yīng)則表現(xiàn)出量化的電導(dǎo)率，這是拓?fù)鋺B(tài)物質(zhì)的標(biāo)志。然而，將這兩種看似截然不同的現(xiàn)象結(jié)合起來(lái)一直是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，特別是在一維系統(tǒng)領(lǐng)域。最近一篇發(fā)表在《自然》的論文宣布取得了突破

超導(dǎo)性是由庫(kù)珀對(duì)的形成引起的，庫(kù)珀對(duì)是束縛在一起的電子對(duì)。在傳統(tǒng)的超導(dǎo)體中，這些對(duì)凝結(jié)成一個(gè)單一的量子態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦的電流流動(dòng)。當(dāng)非超導(dǎo)材料與超導(dǎo)體緊密接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生近鄰超導(dǎo)。近鄰超導(dǎo)效應(yīng)在界面附近的非超導(dǎo)材料中誘導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)的形成，允許在短距離上的超電流流動(dòng)。

在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，在特定材料中觀察到的量子霍爾效應(yīng)表現(xiàn)出顯著的特性。材料邊緣的電子凝聚成具有量子化電導(dǎo)率的特殊導(dǎo)電通道，與材料性質(zhì)無(wú)關(guān)，僅由基本常數(shù)決定。這些邊緣狀態(tài)是材料拓?fù)渲刃虻囊环N表現(xiàn)，這種性質(zhì)不容易受到局部擾動(dòng)的影響。(www.ws46.coM)

這兩種現(xiàn)象的結(jié)合已被證明是具有挑戰(zhàn)性的。傳統(tǒng)上，研究人員的目標(biāo)是在量子霍爾邊緣態(tài)中誘導(dǎo)超導(dǎo)性。然而，通過(guò)這些通道實(shí)現(xiàn)可檢測(cè)的超電流一直是難以捉摸的。這是因?yàn)閺?qiáng)磁場(chǎng)往往會(huì)破壞庫(kù)珀對(duì)的形成，從而阻礙超導(dǎo)性。

最近的突破克服了這一障礙，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，通過(guò)利用微扭曲雙層石墨烯中的疇壁來(lái)實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)中的一維近鄰超導(dǎo)性。雙層石墨烯由兩層石墨烯片堆疊而成，略微扭曲。疇壁是堆疊方向突然改變的區(qū)域。有趣的是，這些疇壁包含與通常的量子霍爾邊緣狀態(tài)不同的嚴(yán)格的一維電子狀態(tài)。

關(guān)鍵在于這些疇壁內(nèi)一維電子通道的獨(dú)特特性。與二維量子霍爾邊緣狀態(tài)不同，這些一維通道對(duì)磁場(chǎng)破壞的敏感性較低。這使得即使在高磁場(chǎng)下也能形成穩(wěn)定的庫(kù)珀對(duì)和超電流，超過(guò)了傳統(tǒng)量子霍爾邊緣狀態(tài)超導(dǎo)性的極限。

實(shí)驗(yàn)裝置包括將超導(dǎo)電極沉積在最小扭曲的雙層石墨烯襯底上，該襯底具有利用疇壁通道的戰(zhàn)略位置。這種結(jié)構(gòu)允許超電流流過(guò)疇壁內(nèi)的一維電子態(tài)，有效地在量子霍爾體系中創(chuàng)建一維近鄰超導(dǎo)體。觀察到的超電流表現(xiàn)出顯著的特性：它是非振蕩的，并在廣泛的磁場(chǎng)范圍內(nèi)保持相對(duì)恒定。這表明超導(dǎo)性主要由疇壁內(nèi)的一維通道介導(dǎo)，獨(dú)立于量子霍爾效應(yīng)的特定量化狀態(tài)。

在量子霍爾效應(yīng)中創(chuàng)建穩(wěn)健的一維近鄰超導(dǎo)體的能力為開(kāi)發(fā)新型約瑟夫森結(jié)奠定了基礎(chǔ)，約瑟夫森結(jié)是一種超導(dǎo)器件，對(duì)于量子技術(shù)至關(guān)重要。這些結(jié)利用超電流對(duì)磁場(chǎng)等外部因素的依賴(lài)性來(lái)創(chuàng)建高靈敏度的探測(cè)器，甚至可能創(chuàng)建新型的量子比特。

此外，這一發(fā)現(xiàn)揭示了超導(dǎo)性和物質(zhì)拓?fù)錉顟B(tài)之間的基本相互作用。了解這些看似相反的現(xiàn)象如何在一維系統(tǒng)中相互作用，可以導(dǎo)致具有奇異特性的全新材料的開(kāi)發(fā)。

然而，仍然存在重大挑戰(zhàn)。研究人員仍在積極研究一維通道內(nèi)形成的庫(kù)珀對(duì)的確切性質(zhì)。此外，優(yōu)化制造工藝并探索不同的材料組合以提高臨界電流密度（超導(dǎo)體所能承受的最大電流）是實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。