稳态强磁场实验装置用户在薄层2M-WS2中揭示自旋-轨道-宇称耦合超导新机制
时间 : 2022-11-15     
近日,稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户复旦大学物理学系修发贤课题组与合作者利用SHMFF水冷磁体WM5在薄层二维层状单晶超导体2M-WS2中揭示了自旋-轨道-宇称耦合的超导新机制。相关研究成果以“Spin-Orbit-Parity Coupled Superconductivity in Atomically Thin 2M-WS2”为题在线发表于期刊Nature Physics,并同期发表 News & Views评论。
近年来,二维层状单晶超导体成为国际上备受关注的研究重点。相较于传统非晶态和多晶态超导薄膜,二维层状单晶超导体由于其极高的单晶质量而能将超导态保持到纳米级的原胞层厚度,为人们理解和探测样品的本征二维超导的新奇特性提供了很好的研究平台。二维层状单晶超导体中一个很重要的研究方向就是研究其超导在面内强临界场下的行为,寻找其中可以对抗较大外界磁场的超导体。这一类研究无论对于基础物理学研究,还是对超导的应用研究都具有重要意义。 
自旋-轨道-宇称耦合的超导最早由香港科技大学罗锦团教授理论预言提出(Phys.Rev.Lett.125.107001,(2020))。指的是如图1a所示的具有拓扑能带翻转的二维中心对称超导体中,在具有相反奇偶性宇称的拓扑能带翻转区域附近,会打开一个拓扑能隙。在这种情况下,仅包含自旋和动量的传统自旋轨道耦合(SOC)项由于体系具有空间反演对称性而被禁止,但是空间反演对称性却允许体系的自旋、动量和电子态的宇称在拓扑能带翻转区域附近耦合在一起,称为自旋-轨道-宇称耦合,这种自旋-轨道-宇称耦合会使得体系在拓扑能带翻转区域附近产生新奇的超导态,称为自旋-轨道-宇称耦合超导,该超导具有巨大的(超过泡利极限)并且各向异性的面内上临界磁场。 
为了寻找自旋-轨道-宇称耦合超导,修发贤课题组与合作者研究了新型层状单晶超导体2M-WS2,这种新兴的层状单晶超导体由于其能带中具有拓扑能带翻转特性,是探测自旋-轨道-宇称耦合超导理想的实验平台。用机械剥离的方法,修发贤课题组制备了2M-WS2薄层电输运器件。通过测量发现,4nm左右厚度的2M-WS2 拥有约7.6K的超导临界温度,并且超导处于clean limit。磁输运也证明,与块材中不同的是,薄层2M-WS2中的超导具有二维超导的属性。如器件的I-V关系曲线呈现幂次现象,器件的小角度范围内的面外向面内转角的上临界磁场遵循二维Tinkham公式等(图1b)。 


1.a薄层2M-WS2的能带示意图,b薄层2M-WS2中面外向面内转角的上临界场的演化规律。插图,小角度范围内面外向面内转角的上临界场的演化规律。c薄层2M-WS2中面内上临界场的二重简并属性。d薄层2M-WS2的归一化电阻在低温强磁场下的各向异性行为。e薄层2M-WS2在不同方向面内磁场9T下微分电导的演化。f薄层2M-WS2超导能隙在面内强磁场下的各向异性行为

基于薄层2M-WS2中的二维超导,课题组利用WM5的输运测量系统研究了薄层2M-WS2在低温强磁场下,面内上临界磁场的行为和超导能隙的演化。研究发现在超导转变温度以下,薄层2M-WS2 的面内上临界磁场大大超出了泡利极限,且呈现出很强的二重简并各向异性(图1c,d)。与之相一致(图1e,f),微分电导测量表明其超导能隙可以存在于远大于泡利极限的面内磁场下,也具有很强二重简并各向异性。理论合作者的平均场理论计算也表明:薄层2M-WS2由于具有拓扑能带翻转特性而产生不对称的自旋-轨道-宇称耦合,这种耦合能有效地钉扎住拓扑能带交叉附近的自旋态并且能够各向异性地重整化外界Zeeman场的影响,从而导致了在上述实验中观测到的超导在面内强磁场下的新奇现象。上述研究也表明,薄层2M-WS2中的超导机制即为自旋-轨道-宇称耦合超导。

该项研究成果首次在实验上发现了自旋-轨道-宇称耦合超导。揭示出在具有拓扑能带翻转特性的二维中心对称超导体中,由于自旋-轨道-宇称耦合的影响,上临界磁场不但可以大大超过泡利极限,并且具有很强的面内各向异性。对于深入理解具有拓扑能带翻转特性的二维中心对称超导体中的奇异超导行为具有重要意义。同时,新型层状单晶超导体2M-WS2在研究中所展现出的独特的物理属性也表明其在探究高阶拓扑超导和新器件方面具有较好的研究价值。

该工作由复旦大学物理学系修发贤课题组,中科院上海硅酸盐研究所董绍明院士、杨金山研究员、黄富强研究员,香港科技大学罗锦团教授,中科院强磁场科学中心张警蕾研究员,英国曼彻斯特大学Sarah Haigh教授,中山大学邹逸超副教授和上海科技大学寇煦丰副教授合作完成。

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41567-022-01812-8 

新闻与观点(News & Views)评论链接:https://www.nature.com/articles/s41567-022-01824-4