清華大學物理系：在錫烯中發現超導電性

【成果簡介】

1月15日，清華大學物理系張定助理教授、徐勇助理教授和薛其坤教授研究團隊在Nature Physics期刊在線發表了題為“Superconductivity in few-layer stanene”的論文，報道了在薄至兩個原子層厚度的灰錫—錫烯—中，首次發現了二維超導電性，并揭示了其拓撲非平庸物性。 ?　　 ?　

【圖文導讀】

圖1 錫烯的原子結構及其超導庫伯對的示意圖?

圖2 PbTe上三層錫烯的計算能帶結構

插圖說明了在第一性原理計算中考慮的原子模型。將氫化的三層錫烯放置在PbTe基底的頂部，由底部氟飽和的兩個PbTe層模擬出來。紅色（灰色）的顏色突出了Sn s（p）軌道的貢獻，通過將Bloch波函數投影到相應的軌道上而獲得。

【研究內容】

探索新型二維超導體，不僅能對理解具有二維超導特性的高溫超導提供新的思路，而且還會為研究諸如量子格里菲斯相變、伊辛超導配對、玻色量子金屬等奇特量子現象提供新的研究平臺。近年來，人們發現一些準二維超導體還可能是拓撲超導體，這為發現馬約拉納費米子帶來了希望。

錫的超導電性已被發現一百多年了，但這個現象僅存在于白錫(β-Sn)中。錫的另一個常見的相是灰錫(α-Sn)，它是半金屬，不具有超導電性。近些年，人們認識到灰錫是一種拓撲絕緣體。徐勇助理教授和張首晟教授預言，沿111方向的單層灰錫—錫烯(stanene)—具有類似于石墨烯的六角結構，可能具有室溫量子自旋霍爾效應等一系列重要的拓撲物性。清華大學薛其坤教授、何珂教授研究組利用分子束外延生長技術，在硅(111)襯底上制備出鉍碲(Bi₂Te₃)和鉛碲(PbTe)，最終在鉛碲(PbTe)上生長出了高質量大面積平整的錫烯薄膜。在此基礎上，張定助理教授等人開展了錫烯薄膜的極低溫電、磁輸運測量。出乎意料的是，他們發現厚度為兩個原子層及更厚的錫烯薄膜具有二維超導電性，這是在灰錫中首次發現超導電性。研究表明，錫烯的態密度受到了襯底的調制，導致了超導電性的出現。通過改變襯底厚度，他們還實現了錫烯從單帶超導體到雙帶超導體的轉變。更有意義的是，外延生長的錫烯薄膜極其穩定，在沒有任何保護層的情況下其超導電性可以長久保持（超過一年）。除了錫烯二維超導電性的發現，該工作還為下一步在拓撲電子學方面的探索奠定了基礎。徐勇助理教授等的第一性原理計算表明，錫烯本身具有反轉能帶結構，是拓撲非平庸的，這為拓撲超導的研究提供了新思路。由于錫烯超導層與碲化鉍襯底具有原子級平整的界面，而后者是三維拓撲絕緣體，這個特點使得通過超導近鄰效應實現量子化的馬約拉納零能模成為可能。清華大學物理系博士生廖孟涵（2015級）、臧運祎（現為德國馬普微結構物理所博士后）為文章共同第一作者，張定助理教授、徐勇助理教授和薛其坤教授為共同通訊作者。清華大學物理系何珂教授、王亞愚教授、馬旭村研究員，美國斯坦福大學物理系張首晟教授參與了該項研究。合作者包括清華大學物理系管兆永博士、胡小鵬博士和博士生李海威（2015級）、龔演（2013級）、朱科靜（2015級）。該工作得到了國家科技部、國家自然科學基金、國家青年千人計劃、清華大學低維量子物理國家重點實驗室以及北京未來芯片技術高精尖創新中心等的支持。

原文鏈接：http://www.phys.tsinghua.edu.cn/publish/phy/5282/2018/20180116093003775974585/20180116093003775974585_.html

文獻鏈接：Superconductivity in few-layer stanene?(Nature Physics, 2017, DOI:10.1038/s41567-017-0031-6)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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