物理系張定副教授、薛其坤教授領(lǐng)導(dǎo)的中德合作團(tuán)隊(duì)在錫烯超導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)新的伊辛配對(duì)機(jī)制

清華新聞網(wǎng)3月16日電  超導(dǎo)體臨界磁場(chǎng)是指在外加磁場(chǎng)下超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。它是超導(dǎo)的基本性質(zhì)之一，也是決定超導(dǎo)體應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)。第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體——水銀，它的臨界磁場(chǎng)僅有幾十毫特斯拉。近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，某些厚度僅有幾個(gè)原子層的薄膜可以在幾十特斯拉的磁場(chǎng)下保持超導(dǎo)，這大大超出了人們的預(yù)料。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，人們提出了伊辛配對(duì)機(jī)制，認(rèn)為這是由于這一類(lèi)特殊材料的晶格不具備中心反演對(duì)稱(chēng)性，參與超導(dǎo)配對(duì)的電子具有了鎖定的自旋取向所致。在此框架下，人們通過(guò)在非中心對(duì)稱(chēng)的材料中尋找，又發(fā)現(xiàn)了多個(gè)具有巨大臨界磁場(chǎng)的超導(dǎo)體。然而，也有人認(rèn)為這完全是材料維度效應(yīng)所導(dǎo)致的，挑戰(zhàn)了伊辛配對(duì)機(jī)制。同時(shí)，伊辛超導(dǎo)理論的一個(gè)重要預(yù)言——臨界磁場(chǎng)的低溫發(fā)散行為也一直未被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

最近，清華大學(xué)物理系張定副教授和薛其坤教授領(lǐng)導(dǎo)的中德合作團(tuán)隊(duì)，打破了此前理論的限制，首次在具有高對(duì)稱(chēng)性的材料——錫烯薄膜中觀(guān)測(cè)到了數(shù)倍于理論預(yù)期的臨界磁場(chǎng)，并清晰地觀(guān)測(cè)到了溫度逼近絕對(duì)零度時(shí)臨界磁場(chǎng)的發(fā)散行為，給出了伊辛超導(dǎo)非常強(qiáng)的證據(jù)。北京時(shí)間3月13日，相關(guān)研究成果以《錫烯薄膜中的第二類(lèi)伊辛配對(duì)機(jī)制》（“Type-II Ising pairing in few-layer stanene”）為題在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)》（Science）上。

圖1. 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的錫烯超導(dǎo)中奇異的上臨界磁場(chǎng)行為。顏色代表樣品的電阻（紫色區(qū)間為正常態(tài)，深藍(lán)色區(qū)間為超導(dǎo)）。圓圈標(biāo)出了不同溫度下的上臨界磁場(chǎng)。實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)代表了不同的理論模型，其中紅色為本工作中提出的第二類(lèi)伊辛配對(duì)機(jī)制。左下和右上的示意圖分別畫(huà)出了錫烯的原子結(jié)構(gòu)和能帶。

薛其坤教授研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事原子級(jí)可控的高質(zhì)量薄膜的制備和物性探索，在二維超導(dǎo)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了單層鉛膜超導(dǎo)、單層鐵硒/鈦酸鍶界面高溫超導(dǎo)和雙原子層鎵膜超導(dǎo)的格里菲斯奇異性等。2018年，團(tuán)隊(duì)核心成員張定副教授等人首次發(fā)現(xiàn)灰錫薄膜—錫烯—具有超導(dǎo)電性（ 《自然-物理》Nature Physics, 14，344（2018）），隨后發(fā)現(xiàn)其面內(nèi)上臨界磁場(chǎng)超過(guò)了常規(guī)超導(dǎo)體的上限—泡利極限。

為了進(jìn)一步深刻理解錫烯的二維超導(dǎo)特性，研究團(tuán)隊(duì)與德國(guó)馬普固態(tài)研究所的約瑟夫-福森（Joseph Falson)博士和尤根-斯密特（Jurgen Smet）教授合作，利用極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下原位旋轉(zhuǎn)測(cè)量技術(shù)，系統(tǒng)測(cè)量了不同厚度錫烯樣品在近乎整個(gè)超導(dǎo)溫度區(qū)間上臨界磁場(chǎng)的變化行為，發(fā)現(xiàn)上臨界磁場(chǎng)不僅超出泡利極限，而且在溫度逼近絕對(duì)零度時(shí)仍無(wú)飽和跡象，這是典型的伊辛超導(dǎo)行為。由于錫烯具有中心反演對(duì)稱(chēng)性，這些行為不能用現(xiàn)有的伊辛超導(dǎo)理論解釋。為了理解這一令人困惑的現(xiàn)象，清華大學(xué)物理系徐勇副教授和北京師范大學(xué)劉海文研究員等開(kāi)展了深入的理論研究。

通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，最終提出了由自旋軌道耦合與材料對(duì)稱(chēng)性共同作用的新一類(lèi)伊辛配對(duì)機(jī)制，即第二類(lèi)伊辛配對(duì)機(jī)制。該工作不但為伊辛超導(dǎo)的存在提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也拓寬了人們尋找伊辛超導(dǎo)的材料范圍。

清華大學(xué)物理系張定副教授、北京師范大學(xué)劉海文研究員和德國(guó)馬普固態(tài)研究所尤根·斯密特（Jurgen Smet）教授為該文章的通訊作者，德國(guó)馬普固態(tài)研究所的約瑟夫·福森（Joseph Falson）博士為第一作者。合作者還包括清華大學(xué)物理系的段文暉教授和何珂教授，已畢業(yè)的臧運(yùn)祎博士（現(xiàn)為德國(guó)馬普微結(jié)構(gòu)所博士后），博士生廖孟涵、朱科靜、王沖和張澤濤，以及北京大學(xué)物理學(xué)院的博士生劉宏超。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技部、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心等的支持。

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https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/11/science.aax3873

供稿：物理系

編輯：李華山

審核：程曦