南京大學繆峰&王強華：第二類外爾半金屬超導研究重要進展

【前言】

由于拓撲超導體在量子計算中潛在的巨大價值，近年來，全世界的科學家們對尋找潛在的拓撲超導材料表現出極大的興趣。隨著外爾半金屬在近幾年出現在科學家們的視野，理論預言超導態下的外爾半金屬有可能成為拓撲超導的候選材料—外爾費米子的配對會表現出不同于普通BCS配對的性質。其中，與第一類外爾半金屬相比，第二類外爾半金屬由于擁有傾斜的外爾錐以及在電子空穴口袋邊界形成外爾點，理論預言在超導態時，二類外爾半金屬會表現出更顯著的拓撲超導的性質。二碲化鎢（WTe₂）作為一種被廣泛關注的第二類外爾半金屬，研究其超導性質對探索拓撲超導具有重要的意義。然而本征的二碲化鎢是非超導材料，如何使其在保持第二類外爾半金屬特性的同時實現超導，是當前研究領域的一個重大挑戰。

【成果簡介】

南京大學物理學院的繆峰教授課題組之前（2016年）利用低溫電子輸運的手段，提供了二碲化鎢作為第二類外爾半金屬的有力實驗證據（Nat. Commun. 2016, 7, 13142）。在此基礎上，繆峰課題組近日又首次實驗實現了近鄰效應誘導的WTe₂的超導，在其超導態下觀察到了反常的亞帶隙輸運特征；南京大學物理學院的王強華教授課題組理論結合實驗，理論證明了實驗觀察到的微分電阻震蕩來源于WTe₂超導的亞帶隙反常特性。需要指出的是，不同于之前人們研究的高壓誘導超導，這項工作中近鄰效應誘導的二碲化鎢超導仍保持了其第二類外爾半金屬的特征，為后續研究外爾半金屬最終實現拓撲超導奠定了基礎。

該工作以“Proximity-Induced Superconductivity with Subgap Anomaly?in Type II Weyl Semi-Metal WTe₂”為題，近日（2018年11月7日）在線發表于Nano Letters（DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03924）。南京大學物理學院博士生李喬、博士生何超城和博士生王瑤佳為該工作的共同第一作者，繆峰教授、王強華教授和梁世軍副研究員為該工作的共同通訊作者。中國科學技術大學陳仙輝教授和中科院物理所石友國研究員為該工作提供了實驗材料的支持，南京大學物理學院的邵陸兵副教授也參與了該合作課題。該項研究得到微結構科學與技術協同創新中心的支持，以及南京大學卓越計劃、國家杰出青年科學基金、科技部“量子調控”國家重大科學研究計劃青年項目、國家自然科學基金等項目的資助。

【圖文導讀】

這項工作首先利用二維材料可控轉移技術，制備了WTe₂/NbSe₂范德華垂直異質結（如圖a所示）。在這個結構中，NbSe₂作為超導體，在垂直方向上通過近鄰效應誘導實現了WTe₂超導，如圖b所示，可以根據測量的臨界電流證實超導信號來自于WTe₂。同時，?WTe₂在不同偏壓下的微分電阻（如圖c所示）表現出了震蕩的趨勢，與一般超導體截然不同。對一般超導體，當電流導致超導被破壞時，電阻會從零瞬時變回常值電阻；而對于WTe₂，微分電阻的震蕩表明其在從超導態到正常態的變化過程中，庫珀對的破壞并不是在瞬時發生的，而是一個逐步被破壞的過程。理論計算表明，WTe₂被NbSe₂誘導超導后，其態密度在超導帶隙內是V型的，不同于一般超導體的U型。此外，態密度在帶隙內的震蕩趨勢（圖d）與實驗結果吻合很好，證明了觀察到的微分電阻震蕩確實是WTe₂超導的亞帶隙反常引起的獨特性質。最后，值得指出的是，除了利用近鄰效應，在同樣的WTe₂體系中實現超導還可能有不同的技術途徑，其中包括不久前南京大學物理學院李紹春教授合作團隊提出的堿金屬插層的實驗手段。

?a)WTe₂/NbSe₂異質結器件結構示意圖；b)WTe₂被誘導實現超導；c)微分電阻(dV/dI-V_ds)的震蕩數據；d)理論計算WTe₂超導的亞帶隙反常特性。

本文由南京大學繆峰課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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