引言

在凝聚态物理领域，超导和量子霍尔效应是两大核心研究方向。超导材料在低温下展现出零电阻和完全抗磁性，而量子霍尔效应则揭示了电子在强磁场下的拓扑特性。近年来，科学家们一直在探索如何将这两种现象结合，以期实现拓扑超导态，这种态被认为是实现拓扑量子计算的关键。近日，来自加州大学圣塔芭芭拉分校的研究团队在《自然》杂志上发表了一项突破性研究，首次在六方氮化硼（hBN）对齐的四层菱形石墨烯（rhombohedral tetralayer graphene）中观测到了超导性与量子反常霍尔效应（QAH）共存的现象。

图1 六方碳化硼对齐的四层菱形石墨烯（器件）。

第一章 研究背景

1.超导与量子霍尔效应的结合

超导和量子霍尔效应的结合被认为是实现非阿贝尔任意子（non-Abelian anyons）的关键。非阿贝尔任意子是一种具有非经典统计行为的准粒子，可以用于构建拓扑量子比特，这种量子比特对外界扰动具有天然的鲁棒性，能够显著提升量子计算的稳定性。然而，传统的超导材料通常是高载流子浓度的金属，而量子霍尔效应则出现在低载流子密度的半导体材料中，两者的材料特性差异使得它们的结合极具挑战性。

2.菱形石墨烯的拓扑与超导

近年来，二维材料（如石墨烯、过渡金属二硫化物等）因其独特的电子结构和可调控性，成为研究拓扑和超导现象的理想平台。特别是菱形石墨烯。当多层石墨烯以小扭转角堆叠式，会出现莫尔图案，产生的新的电子带具有拓扑平带和高态密度的特性，使得它能够在零磁场下同时支持量子反常霍尔效应和超导态。

第二章 研究亮点：四层菱形石墨烯中的超导与量子反常霍尔效应共存

在这项研究中，研究团队将四层菱形石墨烯与hBN基底对齐，形成了一个莫尔超晶格。通过调节载流子浓度和位移场，发现其在填充因子 v= -1时形成量子反常霍尔态；在填充因子 v≈ -3.5时出现零磁场超导态。这一发现具有如下亮点：

1.低无序界面实现超导- QAH共存

研究团队利用hBN对齐策略，使得菱形石墨烯的莫尔超晶格能够支持量子反常霍尔态，并且在较高空穴浓度下诱导出超导态。这避免了传统超导体-拓扑界面的无序问题，使得拓扑超导态的形成更加可控。

图2 a,b,c.载流子密度(n_e)和位移场(D)与纵向电阻（R_xx）的关系 (a.整体；b.超导局部；c.QAH局部) d.沿图a轨迹测量的纵向电阻与横向电阻；e,f.在填充因子为1时的磁场依赖性测量；填充因子为3.5时的磁场，温度依赖性测量；h.非线性电阻率测量。

2.电场调控的拓扑边缘态手性

通过调节位移场 ，其可以非易失性地切换量子反常霍尔态的拓扑边缘态的手性。当系统从非极化相进入谷极化相时，磁矩的方向会自发选择，而在谷极化相内部，磁矩的方向可以通过电场调控反转。这一发现为构建可重构的拓扑边缘态网络提供了可能。

3.分数陈绝缘体的发现

通过热力学压缩率测量，研究团队还观察到了分数陈绝缘体的存在。特别是在  v= 2/3时，系统展现出分数化的陈数 C=2/3，表明这是一个分数陈绝缘体。这种态在零磁场下稳定存在。分数陈绝缘体的发现为超导与分数电荷边缘态的耦合提供了新的研究方向。

4.自旋轨道耦合增强的超导

为了进一步增强超导特性，研究团队在石墨烯异质结构中引入了过渡金属二硫化物（如WS₂）。实验结果显示，在WS₂的存在下，超导态的临界温度提高了50%，并且临界磁场也显著增加。这一现象归因于WS₂入的强自旋轨道耦合，这种耦合能够增强超导配对相互作用。

终章 总结与展望

这项研究首次在菱面体四层石墨烯中同时实现了超导态和量子反常霍尔效应，并且通过电场调控实现了拓扑边缘态旋向性的非易失性切换。这一发现为拓扑量子计算和低功耗电子器件的发展提供了新的平台。此外，分数陈绝缘体的发现为研究分数拓扑态与超导的耦合开辟了新的方向。

参考文献：

Choi, Y. et al. Superconductivity and quantized anomalous Hall effect in rhombohedral graphene. Nature 639, 342–347 (2025).

撰稿 | 姜怡宁

指导 | 刘玉龙