Sci. Adv.：魔角石墨烯的荷電斯格明子和超導性的拓撲學起源

【研究背景】

通常情況下，當向絕緣體中添加電荷時，會產生電子或空穴激發，從而導致電荷傳導。然而，孤子能起到載流子的作用嗎？在理論上，這種不尋常的場景可以通過帶電的拓撲結構來實現。實驗上唯一確定的例子發生在量子霍爾鐵磁體中。唯一通過實驗建立的實例發生在量子霍爾鐵磁體中，其中斯格明子形式的自旋拓撲結構由于Landau能級拓撲結構而獲得電荷，并且被發現是能量最低的電荷激發。另一方面，找到帶電拓撲結構之間而不是電子之間發生Cooper配對的情況更加艱難。例如，在前面已經通過實驗建立帶電拓撲結構的量子霍爾鐵磁體中，時間反轉對稱性的強烈破壞使得超導性極不可能。從拓撲織構中獲得強大的超導性通常需要同時滿足兩個條件：（i）不間斷的時間反轉對稱性和（ii）穩定的低能量電荷2e拓撲結構存在。如果基本缺陷具有電荷2e或通過配對相同電荷的e缺陷，后者可以實現。

【成果簡介】

近日，哈佛大學物理學院Ashvin Vishwanath教授團隊證明了所有這些標準都滿足于一個簡單的模型，該模型由兩個時間反轉相關的量子霍爾（或平坦的Chern帶）鐵磁體組成，通過隧道耦合，具有純粹的排斥相互作用。作者認為，這樣一個模型捕捉到了魔角石墨烯的基本物理特性，使其成為由拓撲結構配對產生的超導性的有希望的候選者，這一機制與傳統的電子-聲子機制有本質的區別。該論文以題為“Charged skyrmions and topological origin of superconductivity in magic-angle graphene”發表在知名期刊Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

圖一、贗自旋的定義

扭曲雙層石墨烯（左）的幾乎平坦帶的線性組合產生具有相反Chern數的贗自旋帶。位于相反陳扇區的具有相同贗自旋的兩個狀態具有相同的谷波函數，但通過A-B亞晶格極化進行區分。

圖二、隧道誘導超交換J

（上）Chern和贗自旋基對稱性的作用。（中）從通過時間反演對稱性相關的兩個贗自旋鐵磁體開始，色散h作為C2z??相關狀態（下）之間的隧道，導致超交換項J～h²/U，作為贗自旋之間的反鐵磁耦合與Chern扇區相反。

圖三、Sigma模型參數

在介電常數ε = 9.5的情況和不同的柵極屏蔽距離d值下，贗自旋剛度（上）、反鐵磁耦合J和贗自旋易面各向異性λ（下）與扭曲角θ的關系。

圖四、帶電拓撲結構的配對

（A）Chern扇區之一的單電荷e斯格明子。n+和n-中的贗自旋在斯格明子核心中沒有反鐵磁排列。

（B）n₊-n_-中的斯格明子-反斯格明子對由于反鐵磁耦合J而結合在一起，這有利于局部贗自旋反排列形成一個電荷2e。

圖五、帶電激發的能量學

2e斯格明子的彈性能量與近手性（橙色）和實際（紫色）極限中的粒子-空穴帶隙的比率，從自洽Hartree-Fock中提取剛度和帶隙值。在灰色虛線下方，斯格明子能量位于粒子-空穴間隙內。

圖六、摻雜CP¹模型的大N相圖

（A）荷電2e斯格明子填充分數ν的圖，它與規整場a_μ的通量f_xy直接相關。

（B）自旋場?的間隙，與超導相中的超流體剛度成正比。

（C）估算不同J值下CP^N?1模型中的超導T_c。

圖七、半填充v =2的魔角石墨烯

半填充時的自旋極化絕緣態有兩種可能的情況：（A）相反的自旋帶位于贗自旋反鐵磁體的間隙內或（B）相反的自旋帶位于該間隙外。

【結論展望】

魔角石墨烯中超導電性的發現及其出人意料之外，如果解釋只援引常規成分，那將是出乎意料的。相反，作者認為這種觀察需要一種不尋常的機制，如本文描述的斯格明子配對機制，它依賴于魔角石墨烯獨特的性質。更普遍地說，作者已經從斥力中發現了超導電性的一種新機制，并且在未來探索各種其他環境將是有趣的，這些環境將實現與時間反轉共軛體隧道耦合的Chern鐵磁體的基本成分。

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

本文由大兵哥供稿。

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