2018年10月15日
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缪峰教授课题组与袁洪涛教授合作团队在Nano Letters报道二维材料界面超导重要进展

超导作为一种神奇的物理现象,被发现距今已一百多年。由于高温超导机制等还没有完全被理解,超导依旧是凝聚态物理领域最热门的话题之一,人们也一直没有停止探索新兴超导材料的步伐。近年来,随着凝聚态物理实验技术的发展,一些原本被认为不能超导的材料,被发现随着载流子浓度的增加也可以出现超导现象。这其中有一种叫做离子液体门(或电双层晶体管)的技术,可在样品表面集聚极高的载流子浓度,进而诱导新奇的界面超导现象。

二维材料相关领域的研究人员主要围绕二硫化钼为代表的过渡金属硫族化合物的界面超导现象开展研究,相比之下,主族金属硫族化合物能否诱导出界面超导现象还是未知。目前,我校物理学院缪峰教授课题组与现代工程与应用科学学院的袁洪涛教授合作研究团队利用离子液体门技术,调节二硒化锡(一种典型的主族金属硫族化合物)(图a插图上)到超高的载流子浓度状态,首次观测到二硒化锡的本征超导现象。

离子液体由可移动的大的有机正负离子组成,工作原理是通过施加偏压,使对应的离子集聚在样品表面,形成大概1纳米厚的介电层,从而通过形成的超大电容在样品表面诱导超高的载流子浓度(图a插图下)。利用该技术,研究团队对二硒化锡进行载流子浓度调节,在高载流子浓度下(≈1014cm-2),温度在4 K附近时观察到超导现象(图a)。通过施加不同角度的磁场(该角度定义为磁场与样品平面的角度),观察到磁阻具有很强的各向异性(图b),并且发现在平行磁场附近其临界磁场与角度之间满足二维的Tinkham模型(图b插图)。发现在垂直磁场下,温度略低于超导温度时,超导性质处于热激发磁通流动状态;但随着温度进一步降低,器件电阻进一步下降,最后趋于一个与磁场相关的常值。进一步的分析发现,该超导态中的涡流是通过量子隧穿的方式进行蠕动的,该状态也称为量子金属态(图c)。研究团队因此确定观察到的超导为二维超导现象。观察到的很强的各项异性超导性质促使研究团队围绕样品面内和面外的磁阻性质开展了进一步研究,并发现当施加面外磁场时,临界磁场在趋于绝对零度时超过泡利顺磁极限2到3倍(图d),该现象和电场调节的自旋轨道耦合有关。

(a)二硒化锡超导曲线,上插图为二硒化锡结构图,下图为离子液体门技术示意图;(b)不同角度下的临界磁场,插图为平行磁场附近的数据;(c)不同垂直磁场和温度下的超导相图;(d)平行磁场下不同温度的临界磁场。

近日,该成果以《门调节的1T相二硒化锡的界面超导》(Gate-Induced Interfacial Superconductivity in 1T-SnSe2)为题发表在《纳米快报》(Nano Letters)杂志上(Nano Lett. 18, 1410 (2018))。物理学院博士生曾俊文为论文第一作者,缪峰教授、梁世军副研究员和袁洪涛教授为该论文的共同通讯作者。

该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及国家杰出青年科学基金、科技部“量子调控”国家重大科学研究计划(青年科学家专题)项目、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接:https://pubsdc3.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b05157

缪峰课题组链接:nano.nju.edu.cn