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《科学》编辑精选报道物理学院王健及合作者发现“一种不寻常的超导体”

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  摘要:北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授与合作者研究了超高真空分子束外延制备的二维晶态超导体PdTe2薄膜的超导特性,华盛顿官网代理最高占成:观测到反常金属态的实验证据,并发现了存在于中心对称体系的第二类伊辛超导电性。研究团队还进一步发现PdTe2薄膜的超导特性十分稳定,在无任何保护层的情况下可保持20个月以上。这种具有宏观面积,性质稳定的强自旋轨道耦合超导体系在超导电子器件和自旋电子器件等方面具有潜在的应用价值。该工作在线发表于学术期刊《纳米快报》(Nano Letters)上(DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01356)。文章发表后,国际顶级学术期刊《科学》(Science)的编辑精选(Editors' Choice)以“一种不寻常的超导体”(An unusual superconductor)为题将这一成果作为研究亮点进行专题报道[Science 369, 388 (2020)]。

 

  磁场通常被认为不利于超导电性的产生。对于大多数超导体系,强磁场会破坏超导库珀对,从而使体系失去超导电性。最近,有一类新奇的二维超导体系可存在于强平行磁场中,被称为伊辛超导。前期研究表明,伊辛超导体需破缺面内中心反演对称性,对称性的破缺产生了塞曼类型的自旋轨道耦合,使得电子发生垂直于二维平面的自旋极化。由于自旋轨道耦合和自旋极化的存在,伊辛超导体具有非常大的平行临界场,常常可达到数倍的泡利极限,往往对应于几十特斯拉甚至更高的强磁场。所谓泡利极限,是指在常规超导体中通过自旋效应破坏超导库珀对所需的磁场。北京大学王健研究组和合作者在前期工作中,首次报道了超高真空分子束外延生长的宏观面积的单层NbSe2薄膜中的伊辛超导电性[Nano Lett. 17, 6802 (2017)]以及超薄晶态铅膜中界面诱导的伊辛超导电性[Phys. Rev. X 8, 021002 (2018)]。

  近来,北京大学物理学院量子材料科学中心的王健教授与林熙研究员,清华大学薛其坤院士、王立莉副研究员、徐勇副教授、姚宏教授,北京师范大学刘海文研究员等合作,在超高真空分子束外延制备的二维晶态超导体PdTe2薄膜中发现了新一类伊辛超导电性。6个原胞层厚(约3纳米)的PdTe2薄膜具有非常大的平行临界场,超过7倍的泡利极限,是伊辛超导的典型特征。与之前报道的伊辛超导不同,PdTe2薄膜具有面内中心反演对称性,表明该体系中存在着一种新的伊辛超导配对机制,经王健、徐勇等讨论,命名为第二类伊辛超导。能带计算和理论分析表明,PdTe2薄膜的三重旋转对称性使体系自旋轨道耦合的等效磁场始终保持在垂直于面的方向上,使电子发生垂直于面的自旋极化,所形成的超导库珀对很难被平行于表面的磁场破坏,因此产生具有极高面内超导临界场的第二类伊辛超导电性。计算表明,对于面内中心反演对称的二维超导体,不仅是三重旋转对称性,六重旋转对称性与四重旋转对称性也能使二维体系的自旋轨道耦合等效磁场保持在垂直于面的方向上,进而表现出第二类伊辛超导特性。因此,第二类伊辛超导的发现,有望发展出一个新的研究方向。

 

图1:(a)PdTe2的晶格结构示意图,表明这是一种中心对称体系。(b)6层PdTe2薄膜在不同温度下的方块电阻随平行磁场的变化曲线。(c)6层PdTe2薄膜的平行临界场随温度的变化关系(黑色数据点)符合伊辛超导的理论曲线(黑色实线),插图为第二类伊辛超导配对机制示意图。(d)4层PdTe2薄膜不同磁场下方块电阻的对数(lgRS)随温度的倒数(1/T)的变化关系。随着温度降低,电阻先下降,然后逐渐趋于饱和,这是反常金属的典型特征。实验中使用了高质量滤波器排除了外界噪声对测量的影响。图改编自http://www.5114466.com/823/10.1021/acs.nanolett.0c01356

 

  更有意思的是,在垂直磁场下,研究团队用滤波器过滤了测量线路中的高频噪声,发现PdTe2薄膜的方块电阻随着温度降低先下降,然后趋于一个与温度无关的常数。这是实验上首次在分子束外延生长的高质量二维晶体样品中观测到反常金属态存在的证据。进一步表明,反常金属态是二维超导或玻色子系统除超导态与绝缘态外的另一种量子基态。

  此外,大多数的二维超导体系对空气十分敏感,很容易因为氧化而失去超导电性。研究团队发现PdTe2薄膜的超导特性在无任何保护层的情况下可保持20个月以上。这种具有宏观面积,性质稳定的强自旋轨道耦合超导体系在超导电子器件和自旋电子器件等方面具有潜在的应用价值。

  该工作在线发表于《纳米快报》(Nano Letters)。北京大学王健教授、清华大学王立莉副研究员和北京大学林熙研究员是本文的共同通讯作者,北京大学博雅博士后刘易,清华大学徐勇副教授,北京大学博士生孙健,清华大学博士生刘充(已毕业)是本文的共同第一作者。这一工作的主要合作者还包括清华大学的薛其坤院士,姚宏教授,北京师范大学的刘海文研究员等。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院卓越创新中心、北京市自然科学基金、北京未来芯片技术高精尖创新中心、博士后科学基金的支持。

  文章在线发表后,国际顶级学术期刊《科学》(Science)的编辑精选(Editors' Choice)以“一种不寻常的超导体”(An unusual superconductor)为题将这一成果作为研究亮点进行专题报道[Science 369, 388 (2020)](申慱会员注册官网 )(注:Science每期的编辑精选会收录7篇其余学术期刊上的论文作为研究亮点进行专题报道,该期物理领域收录1篇。)

 

图2:国际顶级学术期刊《科学》(Science)的编辑精选(Editors' Choice)[Science 369, 388 (2020)]

 

  来源:物理学院量子材料科学中心

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