稳态强磁场实验装置用户在离子液体插层调控二硒化铌超导电性研究中取得进展
时间 : 2022-11-04     

准二维层状材料具有丰富的物理效应,且物理特性紧密依赖于材料的维度及载流子浓度,因此对材料维度及载流子浓度的调控是实现新奇物理效应的重要途径。最近,稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户清华大学物理系周树云及合作者通过在层状材料中嵌入离子液体中的有机阳离子,在二硒化铌(NbSe2)与有机阳离子形成的复合材料中实现了对材料维度及载流子浓度的双重调控,并通过SHMFF所属水冷磁体WM5证实了该复合材料可以获得比单晶体材料和单层薄膜样品更为优越的超导电性。研究成果以“Tailored Ising superconductivity in intercalated bulk NbSe2为题在线发表于Nature Physics期刊,同期刊发了题为“Intercalation tailors superconductors”的News & Views文章推荐该工作。

层状材料维度的调控具有重要的意义,通过降低材料的厚度实现从三维体材料到二维薄膜材料的转变,可以获得本征体材料所不具备的新奇物理性质。例如,单层NbSe2薄膜由于破坏了面内中心反演对称性,使得形成超导库伯对的配对电子自旋锁定在垂直平面方向,从而形成具有显著增强且高于传统泡利极限的面内抗磁性的伊辛超导。然而,这些新奇物性的出现,往往是以牺牲其它重要物理特性为代价。例如,单层NbSe2等金属性二维薄膜在空气中往往不稳定,并且单层NbSe2与单晶体材料相比超导转变温度更低(从7.0 K下降到低于3.7 K)。因此,寻找材料维度调控的新方法是一个重要的科学问题。

1. 离子液体阳离子插层调控NbSe2等层状材料维度示意图。(a) NbSe2结构。(b,c) 通过在NbSe2层间插入不同尺寸的有机阳离子调控层间距,从而实现材料层间距及层间耦合作用的调控。(d) 有机阳离子结构示意图

周树云及合作者独辟蹊径,发展了离子液体阳离子插层方法(见图1)用于调控层状材料的维度及层间耦合作用。近年来,他们将发展的离子液体阳离子插层方法应用于外尔半金属MoTe2实现对其超导电性和拓扑特性的有效调控,在半导体材料SnSe2中通过插层引入了超导电性。

最近,他们通过在单晶NbSe2体材料插入大尺寸的离子液体阳离子,对NbSe2的维度和超导电性进行了有效调控,获得优于单晶体材料和单层样品的超导电性。结合角分辨光电子能谱测量和输运测量,他们对NbSe2与有机阳离子形成的复合材料开展研究并揭示了离子插层对其电子结构及超导电性的影响。如图2所示,插层NbSe2与单晶NbSe2具有相似的超导转变温度,然而插层后样品的面内抗磁性(图2e)比单晶NbSe2(图2f)显著增强。基于SHMFF所属水冷磁体WM5开展的强磁场输运测量结果(图2g)表明,插层NbSe2的面内上临界磁场高于25 T,呈现出类似单层NbSe2的伊辛超导。在电子结构方面,角分辨光电子能谱实验结果显示该复合材料具有与单层样品类似的能带结构,表明阳离子的嵌入有效地调控了材料的维度,使其实现从三维到二维电子结构的转变。此外,费米能处空穴口袋尺寸的变化表明嵌入的阳离子有效地调控了材料的载流子浓度。插层NbSe2不仅比单晶插层NbSe2具有更高的面内上临界磁场,还具有优于单层NbSe2的性质,体现在其超导转变温度显著高于单层NbSe2样品,并且该复合材料的晶格结构和超导电性在空气中十分稳定。这种离子液体阳离子插层的方法对薄层NbSe2同样有效,并且可以推广到大量二维层状材料。该研究工作表明,离子液体阳离子插层是调控样品的维度和载流子浓度的有效手段,可获得优于单晶体材料和单层薄膜的新物性。


2. 插层NbSe2与未插层NbSe2超导电性的对比。 (a,c,e,g) [C2MIm]+插层NbSe2的超导电性及对磁场响应。(b,d,f) 未插层NbSe2的超导电性及对磁场响应。(h) 插层NbSe2样品与未插层NbSe2样品的上临界磁场随温度的依赖关系

该工作通讯作者为周树云教授,第一作者为2016级物理系博士生张浩雄。合作者包括清华大学物理系于浦教授、段文晖院士、徐勇教授、薛其坤院士、陈曦教授、季帅华教授,清华大学富士康纳米科技研究中心吴扬副研究员以及中国科学院半导体研究所谭平恒研究员等。

   原文链接:https://www.nature.com/articles/s41567-022-01778-7