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缪峰助教课题组在Nature Communications公布第二类外

来源:http://www.btxygg.com 作者:广东快乐10分预测 时间:2019-10-17 23:25

这项工作首先利用二维材料可控转移技术,制备了WTe2/NbSe2范德华垂直异质结。在这个结构中,NbSe2作为超导体,在垂直方向上通过近邻效应诱导实现了WTe2超导,如图b所示,可以根据测量的临界电流证实超导信号来自于WTe2。同时, WTe2在不同偏压下的微分电阻表现出了震荡的趋势,与一般超导体截然不同。对一般超导体,当电流导致超导被破坏时,电阻会从零瞬时变回常值电阻;而对于WTe2,微分电阻的震荡表明其在从超导态到正常态的变化过程中,库珀对的破坏并不是在瞬时发生的,而是一个逐步被破坏的过程。理论计算表明,WTe2被NbSe2诱导超导后,其态密度在超导带隙内是V型的,不同于一般超导体的U型。此外,态密度在带隙内的震荡趋势与实验结果吻合很好,证明了观察到的微分电阻震荡确实是WTe2超导的亚带隙反常引起的独特性质。最后,值得指出的是,除了利用近邻效应,在同样的WTe2体系中实现超导还可能有不同的技术途径,其中包括不久前我校物理学院李绍春教授合作团队提出的碱金属插层的实验手段。

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该工作以“Proximity-Induced Superconductivity with Subgap Anomaly in Type II Weyl Semi-Metal WTe2”为题,近日(2018年11月7日)在线发表于Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03924)。我校物理学院博士生李乔、博士生何超城和博士生王瑶佳为该工作的共同第一作者,缪峰教授、王强华教授和梁世军副研究员为该工作的共同通讯作者。中国科学技术大学陈仙辉教授和中科院物理所石友国研究员为该工作提供了实验材料的支持,我校物理学院的邵陆兵副教授也参与了该合作课题。该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及南京大学卓越计划、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项目、国家自然科学基金等项目的资助。

我校缪峰教授课题组选取了第一种被理论预言的第二类外尔半金属:二碲化钨开展研究。WTe2是一种层状结构的过渡金属硫族化合物,最近因为实验上观察到的巨大不饱和磁阻已经受到了广泛的关注。其面内两个晶向相互垂直,由于a 轴方向钨链的形成,导致很强的面内各向异性。该课题组利用WTe2层状可剥离的特点得到不同层数的样品,采用可校准掩模蒸镀技术制作出高质量的WTe2薄膜器件,并发现研究WTe2手征输运特性的样品理想厚度为7-15nm。研究人员在电流平行于b轴的样品中,观测到了显著的纵向负磁阻效应(磁场与电流方向平行)。该效应对磁场与电流之间的夹角变化非常敏感,在完全平行时效应最为明显,而很小的角度就可以有效抑制该效应,分析表明该纵向负磁阻效应是由手征反常导致。同时,该课题组利用同样的制作工艺制备出电流平行于a轴的样品,发现手征反常特性消失,从而有力验证了WTe2作为第二类外尔半金属的特征。

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由于拓扑超导体在量子计算中潜在的巨大价值,近年来,全世界的科学家们对寻找潜在的拓扑超导材料表现出极大的兴趣。随着外尔半金属在近几年出现在科学家们的视野,理论预言超导态下的外尔半金属有可能成为拓扑超导的候选材料—外尔费米子的配对会表现出不同于普通BCS配对的性质。其中,与第一类外尔半金属相比,第二类外尔半金属由于拥有倾斜的外尔锥以及在电子空穴口袋边界形成外尔点,理论预言在超导态时,二类外尔半金属会表现出更显著的拓扑超导的性质。二碲化钨作为一种被广泛关注的第二类外尔半金属,研究其超导性质对探索拓扑超导具有重要的意义。然而本征的二碲化钨是非超导材料,如何使其在保持第二类外尔半金属特性的同时实现超导,是当前研究领域的一个重大挑战。

论文链接

近年来,拓扑超导材料因其边界态中存在马约拉纳费米子而引起国际学术界的持续广泛关注。马约拉纳费米子是自身的反粒子,符合非阿贝尔统计,是实现可容错的拓扑量子计算的物质基础。北大量子材料科学中心王健课题组及合作者在掺硫的第二类拓扑外尔半金属二碲化钼晶体中观测到非平庸超导的信号,发现该材料是一种拓扑超导候选材料。同时,因其为层状过渡金属碲化物,具有很大的潜在应用价值。

图 a)WTe2/NbSe2异质结器件结构示意图;b)WTe2被诱导实现超导;c)微分电阻(dV/dI-Vds)的震荡数据;d)理论计算WTe2超导的亚带隙反常特性。

该工作以Gate-Tunable Negative Longitudinal Magnetoresistance in the Predicted Type-II Weyl Semimetal WTe2为题于2016年10月11日发表在《自然-通讯》杂志上 (Nature Communications 7, 13142 。我校物理学院博士生王瑶佳为论文的第一作者,缪峰教授、以及提供理论计算的万贤纲教授和王伯根教授为该论文的共同通讯作者,邢定钰院士和南方科技大学卢海舟教授为该项研究提供了理论支持,王振林教授提供了拉曼实验协助。该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心、科技部量子调控国家重大科学研究计划项目、科技部国家重点基础研究发展计划、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等资助。

1929年物理学家赫尔曼·外尔发现,有一种质量为零,自旋是半整数的费米子的行为满足外尔方程,这种粒子被称为外尔费米子。虽然目前在自然界中尚未观测到这种基本粒子,但是近来人们在晶体中发现了满足外尔方程的这种准粒子激发,这一类晶体被称为拓扑外尔半金属。在拓扑外尔半金属中,费米面附近的准粒子激发满足线性色散关系,可以用外尔方程描述,形状犹如沙漏,被称为外尔锥。与相对论粒子不同,外尔半金属中的准粒子激发可以违反洛伦兹不变性。在拓扑外尔半金属中,手性不同的外尔点成对出现在不同的动量位置。拓扑外尔半金属还具有奇异的表面态,即在表面形成了连接手性不同的外尔点在表面上的投影点的线段态,称为费米弧(Fermi Arc)。当具有拓扑性质的表面态形成超导态时会具有拓扑超导的性质。此外,超导材料根据超导能隙的对称性,可以分为s波,p波,d波超导体等,其中s波超导材料中,如果不同超导能隙的相位不同,被称作s -超导。高温超导中的铁基超导就被大多相关专家认为是s -超导。理论预言显示,保持时间反演对称性的拓扑外尔半金属的体态若形成s -的超导态,会具有拓扑超导的性质(Phys.Rev.B90(4):045130)。

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在拓扑电子学的研究中,如何有效调控拓扑输运特性是实现应用的关键。在观测到手征反常效应的基础上,该课题组利用薄膜器件可栅压调控的优势,首次实现了外尔半金属费米能在外尔点附近的原位调节,在WTe2器件中实现了手征输运特性的场效应调控。该工作不仅在凝聚态物理中为原位研究第二类外尔费米子提供了可通用的实验手段,并且对拓扑及手征电子学的应用研究有着重要的意义。

图1.电磁输运实验观测到的s -超导的证据,揭示拓扑超导的可能性。(A)电磁输运实验的测量示意图。(B)超导转变温度附近的电阻率-温度关系。(C)各个温度和磁场下的电阻率。(D)超导上临界磁场和温度的关系。红色的线是两带超导模型的拟合曲线,拟合结果发现带间耦合比较大,表明该超导行为是s -超导。

我校物理学院的缪峰教授课题组之前利用低温电子输运的手段,提供了二碲化钨作为第二类外尔半金属的有力实验证据(Nat. Commun. 2016, 7, 13142)。在此基础上,缪峰课题组近日又首次实验实现了近邻效应诱导的WTe2的超导,在其超导态下观察到了反常的亚带隙输运特征;我校物理学院的王强华教授课题组理论结合实验,理论证明了实验观察到的微分电阻震荡来源于WTe2超导的亚带隙反常特性。需要指出的是,不同于之前人们研究的高压诱导超导,这项工作中近邻效应诱导的二碲化钨超导仍保持了其第二类外尔半金属的特征,为后续研究外尔半金属最终实现拓扑超导奠定了基础。

图 薄膜器件结构示意图; 角度敏感的负纵向磁电阻; 背删调节下的负磁阻; 手征反常参量随栅压的变化(CW从c图的磁阻曲线拟合得到),对应费米能调过了外尔点。

近日,北京大学王健教授和冯济教授,复旦大学张童教授和李世燕教授,浙江大学王勇教授,稳态强磁场科学中心(合肥)凌浪生、田明亮研究员,美国宾夕法尼亚州立大学Nitin Samarth教授等人展开合作,通过电输运、扫描隧道谱、比热、抗磁性等系统的实验研究并结合第一性原理计算,在掺硫的第二类拓扑外尔半金属二碲化钼单晶中发现了非平庸超导态的特征。实验中所使用的硫掺杂的高质量二碲化钼晶体是通过化学气相输运的方法合成的,掺杂比例约为0.2。研究组通过准粒子干涉实验与第一性原理计算相结合,在样品表面探测到了费米弧拓扑表面态的存在,随后通过扫描隧道谱学和比热的测量对比,发现样品表面态的超导能隙远大于体态的超导能隙,而且该样品表面态的能隙与临界温度的比值(Δ/kBTc)约为8.6,远大于常规超导材料的能隙与临界温度的比值(约为1.76),表明了表面态具有非常规超导库珀对配对机制,极可能是拓扑超导的普适特征。同时,研究组通过电输运测量和比热测量,发现这种材料为s波超导体,且它的超导能隙的带间耦合很强,超导对称性应为s -对称性。这可能是继铁基高温超导之后,又一种新的s -超导体。而且根据理论预言,拓扑外尔半金属中s -对称性的超导态会形成拓扑超导态。掺硫的第二类拓扑外尔半金属二碲化钼单晶中拓扑超导特征的发现,证实了外尔半金属中实现拓扑超导的可行性,推动了拓扑超导相关领域的进一步发展,也为拓扑量子计算机的最终实现奠定了前期的科研基础。文章于2018年8月31日在PNAS上在线发表(DOI:10.1073/pnas.1801650115)。王健、冯济和张童是本文的共同通讯作者。北京大学李亚楠硕士、顾强强博士和复旦大学陈晨博士为共同第一作者。

(物理学院 科学技术处)

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图2.扫描隧道显微镜观发现表面态的超导能隙远超过体态的超导能隙,揭示出拓扑超导的可能性。(A)4K和0.4K下样品表面的微分电导dI/dV谱。在0.4K下,超导能隙是1.7meV,远大于体态的超导能隙,且能隙与临界温度的比值约为约为8.6,远大于常规超导材料的能隙与临界温度的比值(1.76)。4K时样品处于非超导态。(B)0.4K超导dI/dV谱和各向同性BCS超导谱的对比。(C)0.4K时,不同磁场下的超导dI/dV谱,超导能隙被外加磁场所抑制。

缪峰教授课题组主页

这项工作得到了国家重大科学研究计划重点专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。

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1929年,物理学家Hermann Weyl预言了一种无质量的相对论粒子,即外尔费米子。直到近几年,外尔费米子才最终在凝聚态物理体系中被发现。通常的外尔费米子满足洛伦兹对称性,称为第一类外尔费米子。最近理论预言,在凝聚态物理中可以存在另一种打破洛伦兹对称性的第二类外尔费米子,对应的拓扑材料称为第二类外尔半金属。 第二类外尔半金属具有拓扑保护的不闭合表面态,体带中由于外尔点附近的能带发生显著的倾斜,理论预言会诱导各向异性的手征输运特性等新奇量子现象,掀起了人们广泛的研究兴趣。

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关键词: 课题组 超导 第二类

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