Фазы квази-одномерных гетероструктур фракционного квантового аномального Холла — сверхпроводник

Странные частицы в ультратонких квантовых проводах

Физики ищут новые типы квантовых частиц, которые могли бы хранить информацию особенно устойчивым образом. В этом исследовании рассматриваются ультратонкие «провода», вырезанные в экзотических двумерных материалах, где электрический заряд проявляет дробную часть заряда электрона, и где сверхпроводимость можно включать и выключать. Авторы задают простой вопрос с глубокими последствиями: когда эти два необычных состояния материи встречаются и сверхпроводящий порядок становится сильно флуктуирующим, какие фазы и переходы могут появиться и выживают ли искомые экзотические частицы?

Когда фракционные токи встречают хрупкие сверхпроводники

Отправной точкой является новый класс материалов, в которых реализуется фракционный квантовый аномальный Холл. В таких системах электрический ток течёт по краю в одном направлении и переносит дробный заряд, например две трети заряда электрона. Эксперименты показали, что эти материалы рядом могут становиться сверхпроводящими и что переход в сверхпроводящее состояние необычно широк, что указывает на сильные флуктуации сверхпроводящего порядка. Авторы мысленно вырезают длинную узкую заряженную область внутри такого материала, создавая чередующуюся картину сверхпроводящих полос и обычных областей, пронизываемых фракционными краевыми каналами. На границах между регионами, где доминирует упорядочивание пар и где преобладает обычный туннелинг, теория предсказывает локализованные моды «парафермионов», родственные более известным квазичастицам Мажорана.

От сложной квантовой полосы к более простой модели цепочки

Поскольку полная система чрезвычайно сложна, команда отображает её на более простую одномерную модель, которая при этом сохраняет существенную физику. В этой картине каждый плавающий сверхпроводящий островок может вмещать дробный заряд шагами по две трети заряда электрона, а соседние островки связаны двумя базовыми процессами: целые куперовские пары могут прыгать между островками, а фракционные квазичастицы могут туннелировать вдоль края. Эти процессы кодируются в так называемой топологической цепочке Джозефсоновских переходов с операторами парафермионов на каждом звене. Исследователи затем переводят эту цепочку в роторную модель, которая рассматривает заряд на каждом островке и сверхпроводящую фазу как пару сопряжённых переменных, и изучают её численно с помощью мощных техник возведения в плотностную матрицу (DMRG).

Три вида квантальной жидкости и их преобразования

Численный анализ выявляет богатую диаграмму фаз с тремя основными режимами. В одном из них система ведёт себя как Моттовский изолятор, где заряд зафиксирован на каждом островке и движение заряда имеет зазор. Во втором режиме заряд течёт квантами 2e, зарядом куперовской пары, формируя одномерное состояние, похожее на сверхпроводящее, известное как 2e-жидкость Люттингера. В третьем режиме низкоэнергетические возбуждения несут заряд 2e/3, что отражает базовую фракционную Холловскую физику, и формируют 2e/3-жидкость Люттингера. Путём настройки сил туннелирования куперовских пар, фракционного туннелирования и энергии заряда система может переходить между этими состояниями плавно или скачкообразно. Авторы идентифицируют знакомые переходы Березиньского–Костерлица–Теля (BKT) между изолирующим и проводящим режимами, а также более необычный непрерывный переход, где одновременно критичны и внутренняя трёхкратная структура, и жидкоподобный режим.

Тонкие признаки экзотического краевого поведения

Чтобы проверить, возникают ли действительно экзотические краевые состояния, команда изучает, как вдоль цепочки убывают корреляционные функции и энтанглемент-энтропия. В 2e/3-жидкости некоторые нелокальные корреляционные функции убывают только по степенному закону, что указывает на протяжённое поведение, похожее на парафермионы, тогда как в изолирующих областях они убывают экспоненциально. На особом переходе между 2e и 2e/3-жидкостями масштабирование энтанглемента указывает на комбинированную критическую теорию с центральным зарядом 9/5, согласующуюся с трёхкратным внутренним сектором, слабо связанным с обычной квантовой жидкостью. Анализ также находит характерный сдвиг в константе энтанглемента на логарифм трёх, намекающий на трёхкратную структуру основного состояния, которая может быть связана с модами парафермионов на границах цепочки.

Что это значит для будущих квантовых устройств

Для неспециалистов ключевое сообщение таково: очень тонкая полоска материала, несущая фракционные краевые токи и флуктуирующую сверхпроводимость, может реализовать несколько различных квантовых фаз, включая ту, где дробные заряды текут свободно и проявляют тонкие признаки парафермионов. Работа показывает, что даже когда сверхпроводимость не жесткая, а сильно флуктуирующая, физика парафермионов и чёткие фазовые переходы могут сохраняться. Это даёт дорожную карту для интерпретации будущих экспериментов в скрученных дихалькогенидах переходных металлов и системах на основе графенового мoiré, где паттернизированные затворы могли бы создавать и настраивать такие одномерные структуры и использовать простые транспортные измерения для различения обычного течения куперовских пар, потока дробного заряда и изолирующего поведения.

Цитирование: Bollmann, S., Haller, A., Väyrynen, J.I. et al. Phases of quasi-one-dimensional fractional quantum anomalous Hall -- superconductor heterostructures. npj Quantum Mater. 11, 43 (2026). https://doi.org/10.1038/s41535-026-00897-1

Ключевые слова: фракционный квантовый аномальный Холл, гетероструктура со сверхпроводником, парафермионы, жидкость Люттингера, цепочка Джозефсоновских переходов