近來(lái),通過(guò)機(jī)械剝離成薄層的過(guò)渡族金屬硫化物,作為超越石墨烯的候選材料,已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn),其中強(qiáng)自旋軌道耦合的二維晶體超導(dǎo)體,為人們探索新奇量子現(xiàn)象提供了一個(gè)廣闊的平臺(tái),如拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)的探索等。有報(bào)道指出,在單層NbSe2薄片和柵極調(diào)制的MoS2中,面內(nèi)中心反演對(duì)稱(chēng)性的破缺產(chǎn)生了塞曼自旋軌道耦合保護(hù)的超導(dǎo)電性(Zeeman-protected?superconductivity)。塞曼保護(hù)超導(dǎo)體系的重要特征是具有非常大的面內(nèi)臨界場(chǎng),常??蛇_(dá)到數(shù)倍的泡利極限(Pauli?limit),往往會(huì)對(duì)應(yīng)幾十特斯拉或更高的磁場(chǎng)。北京大學(xué)王健研究組與合作者在前期工作中首次報(bào)道了超高真空分子束外延制備的宏觀面積的單層NbSe2薄片在強(qiáng)磁場(chǎng)和極低溫下的直接輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果,證實(shí)了平行特征臨界場(chǎng)Bc//(T?=?0)是順磁極限場(chǎng)的5倍以上(Nano?Letters?17,?6802?(2017))。然而,大部分二維超導(dǎo)體系都具有面內(nèi)中心反演對(duì)稱(chēng)性,無(wú)法自發(fā)產(chǎn)生塞曼保護(hù)超導(dǎo)電性,大大限制了這一前沿領(lǐng)域的研究范圍和潛在應(yīng)用。?
近日,北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心的王健教授與謝心澄院士、馮濟(jì)教授,和北京師范大學(xué)的劉海文研究員、中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的田明亮研究員、郗傳英博士以及武漢國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心王俊峰研究員等人合作,通過(guò)使用鉛的條狀非公度相作為鉛膜和硅襯底的界面,用超高真空分子束外延技術(shù)成功制備出一種宏觀面積的、塞曼保護(hù)的新型二維超導(dǎo)體。?
系統(tǒng)的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明,該體系的超導(dǎo)電性可存在于超過(guò)40特斯拉的平行強(qiáng)磁場(chǎng)中,這一數(shù)值遠(yuǎn)超過(guò)體系的泡利極限,是塞曼保護(hù)超導(dǎo)電性的直接證據(jù)。其中低溫強(qiáng)磁場(chǎng)電輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)得到了穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)水冷磁體的支持,獲得了重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。?
第一性原理計(jì)算結(jié)果也表明,條狀非公度相中特殊的晶格畸變會(huì)延伸至鉛膜中,從而在該體系中引入很強(qiáng)的塞曼自旋軌道耦合。同時(shí),新的微觀理論也給出了強(qiáng)雜質(zhì)情形下各種自旋軌道耦合及散射效應(yīng)對(duì)二維超導(dǎo)臨界場(chǎng)的影響并定量地解釋了塞曼保護(hù)超導(dǎo)電性的物理機(jī)制。?
該工作表明,可以通過(guò)界面工程在中心反演對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的二維超導(dǎo)中引入面內(nèi)中心反演對(duì)稱(chēng)性破缺,也即在二維晶體超導(dǎo)體系中人工引入塞曼保護(hù)的超導(dǎo)電性機(jī)制。這一結(jié)果預(yù)示出人們有望在二維超導(dǎo)體系中,通過(guò)界面調(diào)制發(fā)現(xiàn)新的非常規(guī)超導(dǎo)特性。這種宏觀尺度強(qiáng)自旋軌道耦合下的二維超導(dǎo),也為拓?fù)涑瑢?dǎo)的探索提供了新的平臺(tái),并為未來(lái)無(wú)耗散或低耗散量子器件的設(shè)計(jì)與集成奠定了基礎(chǔ)。?
該工作于4月2日發(fā)表于物理著名學(xué)術(shù)期刊Physical?Review?X,文章鏈接:?https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.021002。?
北京大學(xué)的劉易和王子喬為共同第一作者,北京大學(xué)的王健教授和北京師范大學(xué)劉海文研究員是本文的共同通訊作者。?
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圖?(a)?脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明6個(gè)原子層厚鉛膜的超導(dǎo)電性在高達(dá)40T的水平強(qiáng)場(chǎng)下仍不被破壞。(b)?臨界場(chǎng)隨溫度的關(guān)系與理論高度重合,有力地證明了超薄鉛膜中的塞曼自旋軌道耦合保護(hù)的超導(dǎo)電性。?(c)?對(duì)外延生長(zhǎng)于條狀非公度相(SIC)界面上的超薄鉛膜進(jìn)行磁阻測(cè)量的示意圖。?