【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】二維晶態(tài)超導(dǎo)體是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的新興前沿研究方向。2016年液態(tài)柵極技術(shù)發(fā)明人日本東京大學(xué)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(tài)和在強(qiáng)平行磁場(chǎng)下存在的超導(dǎo)電性(如伊辛超導(dǎo))是二維晶態(tài)超導(dǎo)體領(lǐng)域重要的研究主題【Nat. Rev. Mater. 2, 16094 (2016)】。
 

　　伊辛超導(dǎo)體是一種強(qiáng)自旋軌道耦合超導(dǎo)體系。有報(bào)道指出，在液態(tài)柵極調(diào)制的MoS2和單層NbSe2薄片等過(guò)渡族金屬硫化物體系中，面內(nèi)中心反演對(duì)稱性的破缺產(chǎn)生了塞曼類型的自旋軌道耦合，使得電子發(fā)生垂直于二維平面的自旋極化，這種特殊的超導(dǎo)電性被稱為伊辛超導(dǎo)電性。
 

　　由于自旋軌道耦合和自旋極化的存在，伊辛超導(dǎo)電性具有非常大的平行臨界場(chǎng)，常常可達(dá)到數(shù)倍的泡利極限，往往對(duì)應(yīng)于幾十特斯拉甚至更高的強(qiáng)磁場(chǎng)。所謂泡利極限，是指在常規(guī)超導(dǎo)體中通過(guò)自旋效應(yīng)破壞超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)所需的磁場(chǎng)。
 

　　北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心的王健教授研究組和合作者在前期工作中，報(bào)道了超高真空分子束外延生長(zhǎng)的宏觀面積的單層NbSe2薄膜中的伊辛超導(dǎo)電性【Nano Lett. 17, 6802 (2017)】以及超薄晶態(tài)鉛膜中界面誘導(dǎo)的伊辛超導(dǎo)電性【Phys. Rev. X 8, 021002 (2018)】。二維晶態(tài)超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)第二類伊辛超導(dǎo)和反常金屬態(tài)
 

　　此外，二維反常金屬態(tài)是否存在一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的核心問(wèn)題。在過(guò)去的三十年里，實(shí)驗(yàn)上在各種二維超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)了反常金屬態(tài)的可能跡象【Rev. Mod. Phys.91, 11002 (2019)】。然而，由于外界高頻噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，二維反常金屬態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到廣泛質(zhì)疑，一直無(wú)法得到真正的證實(shí)【Sci. Adv. 5, 3826 (2019)】。
 

　　王健研究組與合作者在前期工作中通過(guò)高頻濾波器極低溫電輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)在周期性孔洞陣列調(diào)制的高溫超導(dǎo)YBCO薄膜中證實(shí)了二維反常金屬態(tài)的存在【Science 366, 1505(2019)】。然而，在分子束外延生長(zhǎng)的高質(zhì)量晶態(tài)薄膜中，至今仍缺乏反常金屬態(tài)存在的可靠實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
 

　　近來(lái)，王健與林熙研究員，清華大學(xué)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(xué)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(tài)超導(dǎo)體PdTe2薄膜中發(fā)現(xiàn)了新一類伊辛超導(dǎo)電性，并證實(shí)了反常金屬態(tài)的存在。系統(tǒng)的極低溫實(shí)驗(yàn)表明，6個(gè)原胞層厚(約3nm)的PdTe2薄膜具有非常大的平行臨界場(chǎng)，超過(guò)7倍的泡利極限，是伊辛超導(dǎo)的典型特征。
 

　　與之前報(bào)道的伊辛超導(dǎo)不同，PdTe2薄膜具有面內(nèi)中心反演對(duì)稱性，表明該體系中存在著一種新的伊辛超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制，經(jīng)王健、徐勇等討論，命名為第二類伊辛超導(dǎo)。能帶計(jì)算和理論分析表明，PdTe2薄膜的三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性使體系自旋軌道耦合的等效磁場(chǎng)始終保持在垂直于面的方向上，使電子發(fā)生垂直于面的自旋極化，所形成的超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)很難被平行于表面的磁場(chǎng)破壞，因此產(chǎn)生具有極高面內(nèi)超導(dǎo)臨界場(chǎng)的第二類伊辛超導(dǎo)電性。
 

　　計(jì)算表明，對(duì)于面內(nèi)中心反演對(duì)稱的二維超導(dǎo)體，不僅是三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性與四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性也能使二維體系的自旋軌道耦合等效磁場(chǎng)保持在垂直于面的方向上，進(jìn)而表現(xiàn)出第二類伊辛超導(dǎo)特性。因此，第二類伊辛超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，有望發(fā)展出一個(gè)新的研究方向。
 

　　更有意思的是，在垂直磁場(chǎng)下，研究團(tuán)隊(duì)用濾波器過(guò)濾了測(cè)量線路中的高頻噪聲，發(fā)現(xiàn)PdTe2薄膜的電阻隨著溫度降低先下降，然后趨于一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)。這是實(shí)驗(yàn)上在分子束外延生長(zhǎng)的高質(zhì)量二維晶體樣品中觀測(cè)到反常金屬態(tài)存在的證據(jù)。進(jìn)一步表明，反常金屬態(tài)是二維超導(dǎo)或玻色子系統(tǒng)除超導(dǎo)態(tài)與絕緣態(tài)外的另一種量子基態(tài)。
 

　　此外，大多數(shù)的二維超導(dǎo)體系對(duì)空氣十分敏感，很容易因?yàn)檠趸コ瑢?dǎo)電性。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PdTe2薄膜的超導(dǎo)特性在無(wú)任何保護(hù)層的情況下可保持20個(gè)月以上。這種具有宏觀面積，性質(zhì)穩(wěn)定的強(qiáng)自旋軌道耦合超導(dǎo)體系在超導(dǎo)電子器件和自旋電子器件等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
 

　　王健、王立莉和林熙是本文的共同通訊作者，北京大學(xué)博雅博士后劉易，徐勇，北京大學(xué)博士生孫健，清華大學(xué)博士生劉充(已畢業(yè))是本文的共同第一作者。這一工作的主要合作者還包括薛其坤，姚宏，劉海文等。
 

　　該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院創(chuàng)新中心、北京市自然科學(xué)基金、北京未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、博士后科學(xué)基金的支持。