科學研究
            科研成果
            王健及合作者在二維晶態超導體系中發現第二類伊辛超導和反常金屬態
            發布日期:2020-07-03瀏覽次數:

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            二維晶態超導體是凝聚態物理和材料科學的新興前沿研究方向。2016年液態柵極技術發明人日本東京大學的Iwasa教授在Nature Review Materials文章中指出,量子格里菲斯奇異性,反常金屬態和在強平行磁場下存在的超導電性(如伊辛超導)是二維晶態超導體領域最重要的研究主題(Nat. Rev. Mater.2, 16094 (2016))。伊辛超導體是一種強自旋軌道耦合超導體系。有報道指出,在液態柵極調制的MoS2和單層NbSe2薄片等過渡族金屬硫化物體系中,面內中心反演對稱性的破缺產生了塞曼類型的自旋軌道耦合,使得電子發生垂直于二維平面的自旋極化,這種特殊的超導電性被稱為伊辛超導電性。由于自旋軌道耦合和自旋極化的存在,伊辛超導電性具有非常大的平行臨界場,常??蛇_到數倍的泡利極限,往往對應于幾十特斯拉甚至更高的強磁場。所謂泡利極限,是指在常規超導體中通過自旋效應破壞超導庫珀對所需的磁場。北京大學王健研究組和合作者在前期工作中,首次報道了超高真空分子束外延生長的宏觀面積的單層NbSe2薄膜中的伊辛超導電性(Nano Lett.17, 6802 (2017))以及超薄晶態鉛膜中界面誘導的伊辛超導電性(Phys. Rev. X8, 021002 (2018))。

            此外,二維反常金屬態是否存在一直是凝聚態物理領域的核心問題。在過去的三十年里,實驗上在各種二維超導體系中發現了反常金屬態的可能跡象(Rev. Mod. Phys.91, 11002 (2019))。然而,由于外界高頻噪聲對實驗的干擾,二維反常金屬態存在的實驗結果受到廣泛質疑,一直無法得到真正的證實(Sci. Adv.5, 3826 (2019))。王健研究組與合作者在前期工作中通過高頻濾波器極低溫電輸運實驗在周期性孔洞陣列調制的高溫超導YBCO薄膜中證實了二維反常金屬態的存在(Science366, 1505(2019))。然而,在分子束外延生長的高質量晶態薄膜中,至今仍缺乏反常金屬態存在的可靠實驗證據。

            近來,北京大學物理學院量子材料科學中心的王健教授與林熙研究員,清華大學薛其坤院士、王立莉副研究員、徐勇副教授、姚宏教授,北京師范大學劉海文研究員等合作,在超高真空分子束外延制備的二維晶態超導體PdTe2薄膜中發現了新一類伊辛超導電性,并證實了反常金屬態的存在。系統的極低溫實驗表明,6個原胞層厚(約3nm)的PdTe2薄膜具有非常大的平行臨界場,超過7倍的泡利極限,是伊辛超導的典型特征。與之前報道的伊辛超導不同,PdTe2薄膜具有面內中心反演對稱性,表明該體系中存在著一種新的伊辛超導配對機制,經王健、徐勇等討論,命名為第二類伊辛超導。能帶計算和理論分析表明,PdTe2薄膜的三重旋轉對稱性使體系自旋軌道耦合的等效磁場始終保持在垂直于面的方向上,使電子發生垂直于面的自旋極化,所形成的超導庫珀對很難被平行于表面的磁場破壞,因此產生具有極高面內超導臨界場的第二類伊辛超導電性。計算表明,對于面內中心反演對稱的二維超導體,不僅是三重旋轉對稱性,六重旋轉對稱性與四重旋轉對稱性也能使二維體系的自旋軌道耦合等效磁場保持在垂直于面的方向上,進而表現出第二類伊辛超導特性。因此,第二類伊辛超導的發現,有望發展出一個新的研究方向。

            更有意思的是,在垂直磁場下,研究團隊用濾波器過濾了測量線路中的高頻噪聲,發現PdTe2薄膜的電阻隨著溫度降低先下降,然后趨于一個與溫度無關的常數。這是實驗上首次在分子束外延生長的高質量二維晶體樣品中觀測到反常金屬態存在的證據。進一步表明,反常金屬態是二維超導或玻色子系統除超導態與絕緣態外的另一種量子基態。此外,大多數的二維超導體系對空氣十分敏感,很容易因為氧化而失去超導電性。研究團隊發現PdTe2薄膜的超導特性在無任何保護層的情況下可保持20個月以上。這種具有宏觀面積,性質穩定的強自旋軌道耦合超導體系在超導電子器件和自旋電子器件等方面具有潛在的應用價值。

            圖(a) PdTe2薄膜的平行臨界場隨溫度的變化關系符合伊辛超導的理論曲線。左下插圖:PdTe2的晶格結構示意圖,表明這是一種中心對稱體系,不同于之前報道的伊辛超導體系。右上插圖:第二類伊辛超導配對機制示意圖。圖(b) PdTe2薄膜不同磁場下方塊電阻的對數(lgRS)隨溫度的倒數(1/T)的變化關系。隨著溫度降低,電阻先下降,然后逐漸趨于飽和,這是反常金屬的典型特征。實驗中使用了高質量濾波器排除了外界噪聲對測量的影響。

            該工作于2020年6月25日在線發表于學術期刊《Nano Letters》上。(DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01356):https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.0c01356

            北京大學王健教授、清華大學王立莉副研究員和北京大學林熙研究員是本文的共同通訊作者,北京大學博雅博士后劉易,清華大學徐勇副教授,北京大學博士生孫健,清華大學博士生劉充(已畢業)是本文的共同第一作者。這一工作的主要合作者還包括清華大學的薛其坤院士,姚宏教授,北京師范大學的劉海文研究員等。

            該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院卓越創新中心、北京市自然科學基金、北京未來芯片技術高精尖創新中心、博士后科學基金的支持。


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