强磁场下基于量子霍尔边缘态的超导近邻效应光电调控研究

The coupling between quantum Hall edge states and superconductivity under high magnetic field plays a key role in emerging physical phenomenon, such as topological superconductors. Because of the peculiar phenomenon such as chiral transmission of the superconducting edge channels, this system has attracted significance interest in condensed matter physics. This project aims at artificially interfacing of two-dimensional high mobility electron gas with high Tc superconductors, which leads to a superconducting order at the quantum Hall edge state. We propose multiple physical properties characterization, including low temperature and high magnetic field transport measurements, as well as ultra-fast light probe, to study the structural and interfacial effects on the topological superconducting behaviors. We will focus on investigating the electron-phonon, spin-orbital interactions, to understand the mechanism of the topological superconductivity in the proposed heterostructures. The ultimate goal of this project will be constructing novel topological superconducting devices, and developing key techniques for magnetic and/or electrical control of topological superconducting states based on quantum Hall edge states.

强磁场下量子霍尔边缘态（Quantum Hall Edge States）与超导耦合，是研究新型超导近邻效应的方法之一。该体系存在诸如库珀对的手性传输等新奇量子效应，近年来得到了世界范围内的广泛关注。然而由于强磁场下超导与QHE共存对于材料体系和异质结的构建，以及测量设备和条件要求苛刻，目前研究较少。本项目拟通过范德华人工堆垛技术研究高迁移率二维原子晶体与高温超导的结合，在QHE边缘态下引入超导有序。通过多重物性表征手段，系统地研究二维原子晶体/高温超导异质结的结构性能关系、界面效应、外场下超导相变过程、以及多重环境场下的超快动力学过程。通过深入理解电子/声子耦合、自旋/轨道作用来调控异质结构的拓扑超导特性，最终研制出拓扑超导相关的纳米器件，为基于QHE的拓扑超导器件的电磁操控发展关键技术。

量子霍尔效应是人们最早发现的拓扑电子态，迄今为止依然是物理学和纳米电子学等领域的前沿。石墨烯是继GaAs/AlGaAs界面二维电子气之后的重要高迁移率二维电子气，其特殊的狄拉克能带和Berry相位带来了很多新奇物理现象。本项目立足于氮化硼-石墨烯-氮化硼异质结的高迁移率二维电子气，并进一步利用新型绝缘体层状材料CrOCl等，有效构建新奇界面耦合系统。本项目的实行，提出了利用界面量子超晶格对界面上方二维电子气能带结构调控的全新方法，为后续研究多层关联电子的耦合调控量子器件奠定了基础。项目实现了液氮温度下仅需350mT即可得到量子化平台的新体系；目前量子霍尔边缘态的超导近邻效应光电调控的实验还在进一步进行中。项目执行过程中，我们获得了大量间接与直接的创新性成果：1)通过引入高介电常数基底钛酸锶（SiTiO3）成功屏蔽了库伦相互作用，在较低磁场下即可将石墨烯费米面调制至零级朗道能级的量子自旋霍尔态。2) 在双重对齐的moire超晶格体系中，强磁场测量和理论自洽地证明该系统在-5到-7 n0整数填充处产生的能隙为弱相互用下导致的强关联带隙，也是首次观测到二维moiré超晶格中弱相互作用下的电子关联现象。3） 实现了CrOCl表面的一种垂直电场调控的准二维界面局域电子态，进而通过库伦相互作用对石墨烯自身能带产生有效调控并在磁场下呈现新奇量子霍尔态。在77 K温度下，本体系实现横向电导量子化平台所需要的磁场可低至350 mT（该磁场强度由一般永磁体即可提供），而传统石墨烯的量子化电导在77 K则需要10 T以上磁场才能获得。该项研究使量子化电导边界态在诸如拓扑超导、量子霍尔法珀干涉、国际单位制新标准设定等未来电子学应用方面从液氦温区向液氮温区迈出了关键一步。