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魔角石墨烯的荷电斯格明子和超导性的拓扑学起源



魔角石墨烯的荷电斯格明子和超导性的拓扑学起源



通常情况下,当向绝缘体中添加电荷时,会产生电子或空穴激发,从而导致电荷传导。然而,孤子能起到载流子的作用吗?在理论上,这种不寻常的场景可以通过带电的拓扑结构来实现。实验上唯一确定的例子发生在量子霍尔铁磁体中。唯一通过实验建立的实例发生在量子霍尔铁磁体中,其中斯格明子形式的自旋拓扑结构由于Landau能级拓扑结构而获得电荷,并且被发现是能量最低的电荷激发。另一方面,找到带电拓扑结构之间而不是电子之间发生Cooper配对的情况更加艰难。例如,在前面已经通过实验建立带电拓扑结构的量子霍尔铁磁体中,时间反转对称性的强烈破坏使得超导性极不可能。从拓扑织构中获得强大的超导性通常需要同时满足两个条件:(i)不间断的时间反转对称性和(ii)稳定的低能量电荷2e拓扑结构存在。如果基本缺陷具有电荷2e或通过配对相同电荷的e缺陷,后者可以实现。

【成果简介】

近日,哈佛大学物理学院Ashvin Vishwanath教授团队证明了所有这些标准都满足于一个简单的模型,该模型由两个时间反转相关的量子霍尔(或平坦的Chern带)铁磁体组成,通过隧道耦合,具有纯粹的排斥相互作用。作者认为,这样一个模型捕捉到了魔角石墨烯的基本物理特性,使其成为由拓扑结构配对产生的超导性的有希望的候选者,这一机制与传统的电子-声子机制有本质的区别。该论文以题为“Charged skyrmions and topological origin of superconductivity in magic-angle graphene”发表在知名期刊Sci. Adv.上。

【图文导读】

图一、赝自旋的定义


扭曲双层石墨烯(左)的几乎平坦带的线性组合产生具有相反Chern数的赝自旋带。位于相反陈扇区的具有相同赝自旋的两个状态具有相同的谷波函数,但通过A-B亚晶格极化进行区分。

图二、隧道诱导超交换J


(上)Chern和赝自旋基对称性的作用。(中)从通过时间反演对称性相关的两个赝自旋铁磁体开始,色散h作为C2z𝒯相关状态(下)之间的隧道,导致超交换项J∼h2/U,作为赝自旋之间的反铁磁耦合与Chern扇区相反。

图三、Sigma模型参数


在介电常数ε = 9.5的情况和不同的栅极屏蔽距离d值下,赝自旋刚度(上)、反铁磁耦合J和赝自旋易面各向异性λ(下)与扭曲角θ的关系。

图四、带电拓扑结构的配对


(A)Chern扇区之一的单电荷e斯格明子。n+和n-中的赝自旋在斯格明子核心中没有反铁磁排列。

(B)n+-n-中的斯格明子-反斯格明子对由于反铁磁耦合J而结合在一起,这有利于局部赝自旋反排列形成一个电荷2e。

图五、带电激发的能量学


2e斯格明子的弹性能量与近手性(橙色)和实际(紫色)极限中的粒子-空穴带隙的比率,从自洽Hartree-Fock中提取刚度和带隙值。在灰色虚线下方,斯格明子能量位于粒子-空穴间隙内。

图六、掺杂CP1模型的大N相图


(A)荷电2e斯格明子填充分数ν的图,它与规整场aμ的通量fxy直接相关。

(B)自旋场∆的间隙,与超导相中的超流体刚度成正比。

(C)估算不同J值下CPN−1模型中的超导Tc

图七、半填充v =2的魔角石墨烯


半填充时的自旋极化绝缘态有两种可能的情况:(A)相反的自旋带位于赝自旋反铁磁体的间隙内或(B)相反的自旋带位于该间隙外。

【结论展望】

魔角石墨烯中超导电性的发现及其出人意料之外,如果解释只援引常规成分,那将是出乎意料的。相反,作者认为这种观察需要一种不寻常的机制,如本文描述的斯格明子配对机制,它依赖于魔角石墨烯独特的性质。更普遍地说,作者已经从斥力中发现了超导电性的一种新机制,并且在未来探索各种其他环境将是有趣的,这些环境将实现与时间反转共轭体隧道耦合的Chern铁磁体的基本成分。

文献链接:Charged skyrmions and topological origin of superconductivity in magic-angle graphene (Sci. Adv. 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abf5299)



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