電子科技大學熊杰、王顯福、楊超Adv. Mater.:二維超導體的最新進展


引言

自從1911年在超導轉變溫度Tc為4.15 K的水銀中發現超導性以來,這種現象以其引人矚目的物理原理和令人興奮的商業應用而引起了人們的廣泛關注。 40年后,1957年提出了著名的BCS理論來解釋超導性,它涉及由電子-聲子相互作用感應的電子之間的配對,并從那時起已成功地用于理解各種超導體的本質。為了最終實現超導體的廣泛應用,Tc必須至少高于液氮的沸點,但作為BCS理論核心的“庫珀對”僅能夠在極低的溫度下才能存在。科學家們在隨后的三十年中不斷嘗試提高超導轉變溫度,但并沒有取得實質性進展。然而, 1986年人們在意外地在銅基超導體中發現了高溫超導特性,并且其超導轉變溫度Tc在短短兩年內被提高至135K,但是高溫超導特性并不能夠被傳統BCS理論所解釋。相對于塊體超導體,二維體系具有更多的可調控自由度,由此可以發現二維極限內的新奇物理現象。因此隨著近年來微納加工及高質量二維體系的不斷發展,研究人員開始關注于探究二維體系中的超導特性。

成果簡介

???????電子科技大學熊杰、王顯福、楊超介紹了二維超導體的最新進展,論文第一作者為邱東。文章將2D超導體分為兩類:可以用BCS理論解釋的超導體(BCS超導體)和不能用BCS理論解釋的超導體(非常規超導體)。在第2節和第3節中,作者分別討論了常規BCS超導體(TMD薄層,金屬薄層等)和高溫超導體(銅基、鐵基)的超導性。文章回顧了不同材料的超導性能,總結了不同調控因素對超導的影響,以進一步揭示其物理機制。在第4節中,作者將對摩爾超晶格超導性的探究分為兩個方面:電子之間的相互作用(e-e相互作用)和電子與聲子之間的相互作用(e-ph相互作用)。通過這兩個方面對相關的表征和理論進行了總結及討論。

由于具有各種特性的BCS超導體家族眾多,文章在第5節中重點介紹對缺陷/外磁場抵抗力強的超導體,其中主要包括2D拓撲超導體和伊辛超導體。最后,文章對2D超導體的未來挑戰提出了自己的看法。該成果以題為Recent Advances in 2D Superconductors發表在Adv. Mater.

【圖文導讀】

Figure 1.二維超導體類別的示意圖

Figure 2.TMD薄層中Tc與厚度的關系

a)NbSe2和TaS2中Tc的厚度依賴性;?b)降低厚度時,MoS2中的Tc和Bc的變化關系;c)不同方法制備的NbSe2超薄薄膜之間的比較;?d)NbSe2中的Tc和超導帶隙與厚度倒數的關系;

Figure 3.TMD薄層相圖

a)不同電子相的相圖與幾層MoS2的載流子密度n2D的關系 b)在單層NbSe2的STM圖像中顯示了3×3 CDW c)電子摻雜下的TiSe2相圖(d-e)具有隨機分布的硅原子(d)和NbSe2-xSx(x=0.31)單層(e)的NbSe2單層的STM圖像(d-e)的右邊部分:超導性能是Si原子密度(d)和S原子密度(e)的函數 f)Tc與厚度的相圖

Figure 4.二維超導體中的量子金屬態和量子格里菲斯奇點

a)Ga膜的R(T)曲線隨厚度的演變 b)納米圖案YBCO薄膜中異常金屬態薄膜的Arrhenius圖 c)以AAO為模板刻蝕的納米孔YBCO膜的SEM圖像 d)周期納米孔YBCO膜的電阻溫度依賴性 e)YBCO薄膜中的h/2e磁導量子振蕩表明了量子金屬態的玻色性質 f)對數尺度上所有納米孔YBCO膜的振蕩幅度與溫度的關系 g-h)三層Ga膜和4 ML Pb/SIC Si中二維淬火無序的二維超導體-金屬躍遷的B–T相圖(h)

Figure 5.1 UC FeSe/STO的表征

a)β-FeSe晶格結構示意圖;?b)1UC FeSe/STO上的STS顯示具有四個顯著相干峰的超導間隙分別出現在±20.1和±9 mV處;?c)通過線性擬合IV曲線獲得的電阻的溫度依賴性,顯示出高于100 K的超高Tc;?d)FeSe/STO STM形貌;?e)由APRES在20 K下測得的1UC FeSe/STO的費米表面映射,它僅由BZ角M(π,π)周圍的電子狀費米表面薄片(γ)組成 f)沿著布里淵區Г點(左)和M點(右)方向的能帶結構,顯示出空穴狀帶和電子狀帶

Figure 6.調制的FeSe/STO的表征

a)1UC膜在Г點和M點處的光譜b)復制帶的溫度依賴性 c-d)生長,STO生長和塊狀FeSe的TiO2的大能級dI/dV光譜比較 e)通過改變不同FeSe膜厚度的電子摻雜水平來形成電子相圖 f)FeSe的示意性相圖

Figure 7.二維銅基超導體的表征

a)Bi-2212結構示意圖;?b)原子薄Bi-2212的形態表征;c)單層Bi-2212的隨溫度變化的電阻率;?d)單層Bi-2212的電子性能,觀察到的Tc顯示出與本體的偏離被忽略;?e)外部電場在2D銅基超導體中調諧的超導體-絕緣體轉變(SIT)

Figure 8.調制下TBG的能帶結構和相位圖

a)在超晶格的第一個迷你布里淵區中,θ= 1.05°時TBG的能帶E和DOS;?b)將門調諧的魔術角TBG中的相和其他相的電導降低 c)相對于載流子密度和溫度的縱向電阻的相圖,其中相包括金屬,帶狀絕緣體(BI)、相關態(CS)和超導態(SC);?d)在歸一化的微分電導譜中,在不同的柵極電壓下,VHS的重建,其中黑色虛線表示費米能級 e)分別在(iii)中的橙色和藍色箭頭處獲得的設備電導(i)和電阻(ii) f)三種屏蔽控制的TBG設備的電阻率ρxx相對于莫爾帶填充因子ν和溫度T的相圖

Figure 9.除魔角石墨烯之外的莫爾超晶格

a)扭轉角為θ的TDBG的示意圖 b)半填充絕緣子周圍的電阻率圖 c)左:在1.33°器件中電阻率Rxx與溫度T和載流子密度n的色標圖。 右:電阻率與溫度T和載流子密度n的關系 d)無扭曲的ABC-TLG/hBN莫爾條紋超晶格示意圖 e)電阻作為頂柵(Vt)和底柵(Vb)電壓的函數的色線圖,其中色標在對數標度上從10Ω(暗)到100kΩ(亮) f)右:取決于載波密度的相位圖。 左:電阻率對溫度T的依賴性,插圖:在相同條件下測得的dVxx/dI曲線 g)雙絞線WSe2器件示意圖 h)在T = 1.8 K處測得的電阻率圖分別作為Vtg和Vbg的函數 i)右:與載波密度有關的相位圖。 左:RT曲線

Figure 10.拓撲超導系統中Majorana零能模的表征

a)Bi2Se3膜的表面狀態(SS)表示拓撲表面狀態和超導電性并存;?b)在NbSe2襯底上生長的Bi2Se3薄膜的形貌;?c)在5 QL Bi2Te3/NbSe2上由零偏dI/dV映射的渦旋;?d)在渦旋中心測得的dI/dV頻譜中出現一個尖銳的零偏峰,并迅速衰減而遠離渦旋;?e)從Bi2Te3/NbSe2樣品測得的系列dI/dV曲線 f-g)線切割顯示了在代表性相位差下隧道探針上的差分電導曲線與偏置電壓的函數關系,在整數周期間隔的重復線上取平均值;?h)單層WTe2電子基態的溫度-密度相示意圖

Figure 11.增強面內臨界場的二維超導體

a)增強Bc的可能機制;?b)表示面內Rashba型自旋極化和面外Zeeman型自旋極化的示意圖;?c)三層錫的面內臨界場的溫度依賴性;?d)離子門控MoS2中平面內和平面外上臨界場與溫度的關系 ;e)原子薄NbSe2的Hc–T超導相圖;?f)6 ML Pb/Si的Bc增強的實驗證據

小結

2D材料中超導性的出現已引起人們的廣泛關注,近年來,由于二維體系中蘊藏著豐富的新奇物理現象,越來越多的研究人員開始探索該領域。人們嘗試去探索不同的可調控自由度,以找出特殊超導現象背后的機制,包括調節樣品的厚度、制造異質結構、通過電場和化學摻雜來調整載流子密度等。文章介紹了具有獨特特性的不同類型的2D超導,包括超薄膜中的常規BCS超導,鐵基和銅基等高溫超導體,新發現的摩爾超晶格中的非常規超導等。這篇綜述有利于增進研究人員對新近研發的2D超導性清晰而全面的理解,并進一步促進該領域的發展。

文獻鏈接:Recent Advances in 2D Superconductors, Adv. Mater.,?2021, DOI:10.1002/adma.202006124

本文由材料人學術組tt供稿,材料牛整理編輯。 ?

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