復旦 Nano Lett.：磁場誘導Ta2PdS5納米帶重新進入超導狀態

【背景】

在II-型超導體中，當磁場以磁通量線的形式穿透超導相時，會產生Abrikosov渦旋。當電流作用在超導體上時，洛倫茲力會使渦旋移動并引起能量耗散，從而導致零電阻狀態的打破。人們通常認為，由于增大磁場會增加渦旋的數量，因此超導體的電阻應隨磁場增大而單調增加，但是多年來卻有一些實驗發現電阻對磁場的存在著非單調性的依賴關系。一些理論如非微擾鞍點的猝滅效應的抑制，相移導致的臨界電流增加等都被提出用來解釋這種非單調依賴性關系。這些理論和實驗結果為理解磁場和超導電性之間的相互作用開辟了道路。然而，渦旋行為在這些所測到的耗散和重新進入的無耗散的現象中所扮演的角色仍然是一個開放性問題。M₂Pd_xQ₅（M=Ta, Nb；Q=S, Se）是一種新型的過渡金屬硫族化物超導體，具有典型的準一維（準1D）鏈結構，以及具有多種奇異的超導屬性。Ta₂PdS₅是材料族M₂Pd_xQ₅的代表性成員。由于其晶體結構中的范德華間隙，其塊材樣品可以很容易地剝離成單晶納米帶樣品，這些樣品的寬度和厚度可與超導相干長度相當，為探索低維超導態的本征屬性以及渦旋晶格和幾何約束之間的微妙相互作用提供了很好的研究平臺。

【成果簡介】

近日，復旦大學修發賢教授（通訊作者）等人報道了在準一維（準1D）超導Ta₂PdS₅ 納米帶中觀測到的超導重新進入行為。隨著磁場強度的增大，Ta₂PdS₅納米帶的磁電阻先增大后減小到零，重新進入超導無耗散態。有趣的是，這種重新行為進入行為與溫度、外加電流和磁場方向密切相關。作者利用含時Ginzburg-Landau（TDGL）方程模擬計算表明，這種重新進入行為是邊緣勢壘對渦旋運動抑制導致的。此外，作者的計算結果顯示這種重新進入行為只發生在具有特定寬度的樣品中，與實驗的觀測結果吻合地很好。該研究的結果表明：磁場和幾何約束可以通過抑制渦旋運動引起的耗散過程來影響電子在超導體中的傳輸，揭示了處在磁場中的單晶超導納米帶中渦旋動力學和輸運行為的內在聯系，為理解磁場與超導電性之間的相互作用提供了新視野。研究成果以“Magnetic-Field-Induced Re-entrance of Superconductivity in Ta2PdS5 Nanostrips”為題發布在期刊Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖一、Ta₂PdS₅的晶體結構和表征
（a）Ta₂PdS₅的晶體結構；

（b）Ta₂PdS₅納米帶的TEM明場圖像；

（c）從Ta₂PdS₅納米帶薄邊緣沿[110]軸獲取的原子分辨率ADF-STEM圖像；

（d）Ta₂PdS₅四端法器件示意圖。

圖二、Ta₂PdS₅納米帶中的超導重新進入行為
（a）在不同面內磁場下，器件的隨溫度變化的歸一化電阻R/R_N；

（b）小范圍內器件的隨溫度變化的歸一化電阻R/R_N，當磁場強度在0.5 T≤B≤1.875 T時，R/R_N-T曲線相互交叉；

（c）溫度從1.9 K變為3.5 K時，器件的磁阻等溫線；

（d）器件的小范圍磁阻等溫線，T=1.9 K時，在1 T≤B≤1. 5 T范圍內，器件重新進入了超導態。

圖三、在不同磁場方向和電流激勵下的重新進入行為
（a）在T=2 K，I=35 μA時，器件的角度依賴的歸一化電阻R/R_N；

（b）在對數坐標下，在不同電流激發下的器件的磁阻等溫線；

（c）在T=2 K時，不同磁場下Ta₂PdS₅納米帶器件的電流-電壓關系，當磁場處在0.5 T≤B≤1.875 T范圍時，曲線出現相交的現象。

圖四、Ta₂PdS₅納米帶重新進入超導行為的原理
（a）利用Ginzburg-Landau理論獲得的w>ξ的超導帶的相圖示意圖；

（b）不同磁場下，處在寬度為w的超導帶中孤立渦旋的吉布斯自由能；

（c）渦流離開或進入條帶的磁場依賴的最大勢壘的示意圖；

（d）通過TGDL方程計算的不同外加磁場和溫度下超導電子在超導帶中的分布。

圖五、在不同溫度和磁場條件下，Ta₂PdS₅納米帶電阻的理論計算
（a）i-vi描繪了在不同磁場和溫度下的Ta₂PdS₅納米帶電阻隨時間的演化；

（b）在T=0.75 T_CS時，不同寬度（6ξ₀到14ξ₀）超導帶的磁場依賴的電阻，可以看到，重新進入行為只發生在超導帶寬度處在9ξ₀≤w≤13ξ₀范圍時。

【小結】

綜上所述，作者發現了準1D超導Ta₂PdS₅納米帶中的超導重新進入行為。在低溫下，隨著磁場的增加樣品磁阻先增加再降低并重新進入超導態。通過TDGL計算，作者揭示了其內在機制：隨著磁場強度的增加，無耗散狀態被破壞，并且由于渦流的進出超導納米帶開而產生了中間電阻狀態。隨著磁場強度的進一步增大，渦流的運動被邊緣處的能壘增加所抑制，并且渦流變得完全靜止，從而導致重新進入無耗散狀態。此外。并且，作者通過模擬計算表明，這種重新進入行為僅在一定的寬度和激勵電流下才會發生，與實驗觀測到的現象非常吻合。該研究揭示了渦旋動力學與單晶超導納米帶在磁場作用下的耗散傳輸之間的關系，為探索低維超導中的奇異物理現象提供了新途徑。

文獻鏈接：Magnetic-Field-Induced Re-entrance of Superconductivity in Ta₂PdS₅ Nanostrips（Nano Lett., 2020, DOI:10.1021/acs.nanolett.0c03655）

通訊作者/團隊簡介

修發賢， 復旦大學物理學系教授。課題組主要從事拓撲材料的生長、量子調控以及新型低維原子晶體材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的制備與表征。在新型低維原子晶體材料的器件方面主要研究其電學、磁學和光電特性。至今共發表論文120余篇，其中包括 Nature 1篇，Nature Materials 2篇，Nature Nanotechnology 2篇，Nature Communications 12篇。發表的第一或通訊作者文章多次被Science，Nature Nanotechnology, Nature Reviews Materials, NPG Asia Materials, Phys.org, Science Daily等專業雜志和媒體廣泛報道。7篇第一或通訊作者文章被Web of Science 評為“ESI前1%高被引論文”。

本文由CQR編譯。

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