超導性和量子霍爾效應這兩個迷人的現(xiàn)象，幾十年來一直吸引著物理學家的目光。超導性允許材料以零電阻傳導電流，而量子霍爾效應則表現(xiàn)出量化的電導率，這是拓撲態(tài)物質(zhì)的標志。然而，將這兩種看似截然不同的現(xiàn)象結合起來一直是一個重大挑戰(zhàn)，特別是在一維系統(tǒng)領域。最近一篇發(fā)表在《自然》的論文宣布取得了突破

超導性是由庫珀對的形成引起的，庫珀對是束縛在一起的電子對。在傳統(tǒng)的超導體中，這些對凝結成一個單一的量子態(tài)，從而實現(xiàn)無摩擦的電流流動。當非超導材料與超導體緊密接觸時，就會發(fā)生近鄰超導。近鄰超導效應在界面附近的非超導材料中誘導庫珀對的形成，允許在短距離上的超電流流動。

在強磁場作用下，在特定材料中觀察到的量子霍爾效應表現(xiàn)出顯著的特性。材料邊緣的電子凝聚成具有量子化電導率的特殊導電通道，與材料性質(zhì)無關，僅由基本常數(shù)決定。這些邊緣狀態(tài)是材料拓撲秩序的一種表現(xiàn)，這種性質(zhì)不容易受到局部擾動的影響。(www.ws46.coM)

這兩種現(xiàn)象的結合已被證明是具有挑戰(zhàn)性的。傳統(tǒng)上，研究人員的目標是在量子霍爾邊緣態(tài)中誘導超導性。然而，通過這些通道實現(xiàn)可檢測的超電流一直是難以捉摸的。這是因為強磁場往往會破壞庫珀對的形成，從而阻礙超導性。

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，通過利用微扭曲雙層石墨烯中的疇壁來實現(xiàn)量子霍爾效應中的一維近鄰超導性。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)不同的嚴格的一維電子狀態(tài)。

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

實驗裝置包括將超導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。這種結構允許超電流流過疇壁內(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，并在廣泛的磁場范圍內(nèi)保持相對恒定。這表明超導性主要由疇壁內(nèi)的一維通道介導，獨立于量子霍爾效應的特定量化狀態(tài)。

在量子霍爾效應中創(chuàng)建穩(wěn)健的一維近鄰超導體的能力為開發(fā)新型約瑟夫森結奠定了基礎，約瑟夫森結是一種超導器件，對于量子技術至關重要。這些結利用超電流對磁場等外部因素的依賴性來創(chuàng)建高靈敏度的探測器，甚至可能創(chuàng)建新型的量子比特。

此外，這一發(fā)現(xiàn)揭示了超導性和物質(zhì)拓撲狀態(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，可以導致具有奇異特性的全新材料的開發(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)形成的庫珀對的確切性質(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（超導體所能承受的最大電流）是實現(xiàn)實際應用的關鍵步驟。