【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，《自然?通訊》(Nature Communication)在線刊發(fā)了物理學(xué)院付英雙教授領(lǐng)導(dǎo)的低維物理與量子材料實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的最新研究成果，題為《范德華異質(zhì)結(jié)中的人工超導(dǎo)近藤晶格》(Artificial superconducting Kondo lattice in a van der Waals heterostructure)。該工作與北京師范大學(xué)黃兵研究員課題組、中國人民大學(xué)俞榕教授課題組和中國科學(xué)院固體物理研究所的孫玉平研究員課題組合作完成。物理學(xué)院博士生范凱為共同第一作者，付英雙教授為論文的通訊作者，華中科技大學(xué)為第一單位。
 

　　周期性排列的局域磁矩與傳導(dǎo)電子之間的相干自旋屏蔽形成了近藤晶格，這一過程導(dǎo)致局域磁矩的退局域化和低能電子有效質(zhì)量的增強(qiáng)，是理解重費(fèi)米子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的理論模型。在近藤晶格中，局域近藤屏蔽和局域磁矩間的交換耦合作用相互競爭導(dǎo)致了多種有趣的關(guān)聯(lián)量子物態(tài)。但是傳統(tǒng)的重費(fèi)米子材料是具有高度局域化的f電子體系的三維體材料化合物，其復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)為理解重費(fèi)米子物理機(jī)制帶來了困難。低維范德華材料的最新研究進(jìn)展表明，重費(fèi)米子也可以存在于 d 電子系統(tǒng)中，其晶格結(jié)構(gòu)簡單可控，這有助于加深對近藤晶格物理的理解。更重要的是，范德華材料可以構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，從而在近藤晶格中方便地引入新的功能，為人工構(gòu)建功能化的近藤晶格系統(tǒng)提供了可能。
 

圖1.√3×√3VSe2的形貌和原子結(jié)構(gòu)
 

　　付英雙教授研究團(tuán)隊(duì)通過長期探索分子束外延生長條件，精細(xì)調(diào)控生長動力學(xué)，最終在塊材2H-NbSe2表面生長出單層1T-VSe2，成功實(shí)現(xiàn)了人工近藤晶格/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建。掃描隧道顯微鏡測量結(jié)合第一性原理計(jì)算表明，VSe2/NbSe2異質(zhì)結(jié)間隙中均勻插入了1/3層的V原子，從而在單層VSe2中形成了3×3周期的新電荷密度波(CDW)相(圖1)，并打開了約155 meV的CDW能隙。插層V原子與單層VSe2中的V原子為系統(tǒng)提供了局域磁矩陣列，結(jié)合VSe2表面測量到的空間均勻分布的近藤共振峰，預(yù)示了近藤晶格的形成。溫度和磁場依賴性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了共振峰的近藤起源，并通過半峰寬的擬合，得到了近藤溫度為Tk~44 K(圖2)。除了近藤共振譜，在一些大尺寸VSe2島上還測量到了明顯的雜化能隙譜，兩種特征譜的區(qū)別來源于局部應(yīng)變對兩條隧穿路徑比率的調(diào)節(jié)，并被不同隧穿比值下的共隧穿模型成功重現(xiàn)，明確證實(shí)了近藤晶格的形成。
 

圖2.近藤共振的溫度與磁場依賴性，以及空間均勻性
 

　　此外，在單層VSe2表面還測量到一個超導(dǎo)能隙，這來源于超導(dǎo)2H-NbSe2襯底的超導(dǎo)近鄰效應(yīng)。VSe2的近鄰超導(dǎo)能隙呈現(xiàn)出與襯底相似的形狀，能隙大小有所減小，但相干峰強(qiáng)度卻略有增強(qiáng)，導(dǎo)致其形狀不能用傳統(tǒng)的BCS模型完美擬合。通過考慮重電子參與超導(dǎo)配對的有效近藤晶格模型，成功復(fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中的近鄰超導(dǎo)能隙特征，重電子帶的雜化性質(zhì)導(dǎo)致了相干峰的譜權(quán)重增加(圖3)。
 

圖3.√3×√3VSe2的近鄰超導(dǎo)能隙
 

　　這項(xiàng)工作不僅實(shí)現(xiàn)了范德華材料中的近藤晶格構(gòu)建，豐富了不同材料中的人工重費(fèi)米子體系，為構(gòu)建近藤晶格系統(tǒng)提供了新的思路；還成功通過近鄰效應(yīng)在近藤晶格中引入了超導(dǎo)性，為深入研究超導(dǎo)凝聚與重費(fèi)米子液體之間的相互作用提供了實(shí)驗(yàn)平臺。本工作是繼團(tuán)隊(duì)在單層1T-NbSe2體系中引入周期性空位缺陷實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)一維近藤晶格后的又一進(jìn)展。