物理系張定副教授、薛其坤教授領(lǐng)導的中德合作團隊在錫烯超導中發(fā)現(xiàn)新的伊辛配對機制

清華新聞網(wǎng)3月16日電  超導體臨界磁場是指在外加磁場下超導態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)所需的磁場強度。它是超導的基本性質(zhì)之一，也是決定超導體應用的一項重要指標。第一個被發(fā)現(xiàn)的超導體——水銀，它的臨界磁場僅有幾十毫特斯拉。近年來人們發(fā)現(xiàn)，某些厚度僅有幾個原子層的薄膜可以在幾十特斯拉的磁場下保持超導，這大大超出了人們的預料。為了解釋這個現(xiàn)象，人們提出了伊辛配對機制，認為這是由于這一類特殊材料的晶格不具備中心反演對稱性，參與超導配對的電子具有了鎖定的自旋取向所致。在此框架下，人們通過在非中心對稱的材料中尋找，又發(fā)現(xiàn)了多個具有巨大臨界磁場的超導體。然而，也有人認為這完全是材料維度效應所導致的，挑戰(zhàn)了伊辛配對機制。同時，伊辛超導理論的一個重要預言——臨界磁場的低溫發(fā)散行為也一直未被實驗驗證。

最近，清華大學物理系張定副教授和薛其坤教授領(lǐng)導的中德合作團隊，打破了此前理論的限制，首次在具有高對稱性的材料——錫烯薄膜中觀測到了數(shù)倍于理論預期的臨界磁場，并清晰地觀測到了溫度逼近絕對零度時臨界磁場的發(fā)散行為，給出了伊辛超導非常強的證據(jù)。北京時間3月13日，相關(guān)研究成果以《錫烯薄膜中的第二類伊辛配對機制》（“Type-II Ising pairing in few-layer stanene”）為題在線發(fā)表于《科學》（Science）上。

圖1. 實驗測得的錫烯超導中奇異的上臨界磁場行為。顏色代表樣品的電阻（紫色區(qū)間為正常態(tài)，深藍色區(qū)間為超導）。圓圈標出了不同溫度下的上臨界磁場。實線和虛線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伊辛配對機制。左下和右上的示意圖分別畫出了錫烯的原子結(jié)構(gòu)和能帶。

薛其坤教授研究團隊長期從事原子級可控的高質(zhì)量薄膜的制備和物性探索，在二維超導領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了單層鉛膜超導、單層鐵硒/鈦酸鍶界面高溫超導和雙原子層鎵膜超導的格里菲斯奇異性等。2018年，團隊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)上臨界磁場超過了常規(guī)超導體的上限—泡利極限。

為了進一步深刻理解錫烯的二維超導特性，研究團隊與德國馬普固態(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，利用極低溫強磁場下原位旋轉(zhuǎn)測量技術(shù)，系統(tǒng)測量了不同厚度錫烯樣品在近乎整個超導溫度區(qū)間上臨界磁場的變化行為，發(fā)現(xiàn)上臨界磁場不僅超出泡利極限，而且在溫度逼近絕對零度時仍無飽和跡象，這是典型的伊辛超導行為。由于錫烯具有中心反演對稱性，這些行為不能用現(xiàn)有的伊辛超導理論解釋。為了理解這一令人困惑的現(xiàn)象，清華大學物理系徐勇副教授和北京師范大學劉海文研究員等開展了深入的理論研究。

通過理論與實驗的緊密結(jié)合，最終提出了由自旋軌道耦合與材料對稱性共同作用的新一類伊辛配對機制，即第二類伊辛配對機制。該工作不但為伊辛超導的存在提供了實驗證據(jù)，也拓寬了人們尋找伊辛超導的材料范圍。

清華大學物理系張定副教授、北京師范大學劉海文研究員和德國馬普固態(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物理系的段文暉教授和何珂教授，已畢業(yè)的臧運祎博士（現(xiàn)為德國馬普微結(jié)構(gòu)所博士后），博士生廖孟涵、朱科靜、王沖和張澤濤，以及北京大學物理學院的博士生劉宏超。該工作得到了國家自然科學基金、國家科技部、清華大學低維量子物理國家重點實驗室、北京未來芯片技術(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