Nature Commun.：在二维材料中发现新型超导机制！

纳米人

2019-05-05

基于电子—声子作用建立起来的BCS理论从微观上成功地解释了常规超导体的超导电性起源。根据BCS理论，在不考虑轨道作用的情况下，超导体所能承受的最大磁场称为泡利极限（Hp）。近年来，随着二维材料的研究兴起，二维单晶薄膜中的超导现象也成为国际研究的热点之一。

对于具有强自旋—轨道耦合作用的二维体系，如过渡金属硫属化合物MoS₂，NbSe₂，TaS₂等，因其面内中心反演对称性破缺，导致了伊辛自旋—轨道耦合作用保护的超导相出现（Ising spin-orbit coupling protected superconductivity），这一现象也被称之为伊辛超导（Ising superconductivity）。由于自旋内禀磁场的存在，伊辛超导相中的库伯对可以在远超泡利极限的面内磁场中存在，其面内上临界场可达几十甚至上百特斯拉。这一重要特征为未来低耗散的超导量子器件的应用提供了新的可能性。不仅如此，理论计算表明：利用伊辛超导体可以构造马约拉纳费米子（Majorana fermions），为拓扑量子器件的实现提供了新的实验平台。因此，寻找诸如伊辛超导这类具有强自旋—轨道耦合作用的新型二维超导相具有重要的理论以及应用价值。

有鉴于此，中国科学院物理研究所吕力课题组的刘广同副研究员、新加坡南洋理工大学的刘政副教授、南方科技大学的林君浩副教授，以及香港科技大学的罗锦团(K. T. Law) 教授组成的团队，通过低温输运测量与理论计算，在少层Td相的MoTe₂样品中，发现了一种由各向异性自旋—轨道作用导致的新型二维超导相。其面外上临界场展现出与伊辛超导体类似的行为，高出泡利极限2~3倍（如图1所示）。

图1. 少层MoTe₂的二维超导性质

与已经发现的面内各向同性的伊辛超导体不同，该新型超导相展现出明显的面内各向异性，即在面内上临界场与面内临界电流具有显著的两重对称性。更为重要的是，面内临界场在不同方向均超过泡利极限，这是首次在实验上观察到该现象（图2）。理论计算表明这种独特的自旋—轨道耦合作用起源于Td相的特殊晶体对称性。这是迄今为止在过渡金属硫属化物中发现的关于各相异性自旋—轨道耦合作用的第一个实验证据。该发现将有助于促进过渡金属二硫化物中的超导自旋电子学研究。

图2. 少层MoTe₂超导面内上临界场的两重对称性

该工作由各方面通力合作完成。新加坡南洋理工大学刘政教授指导的博士后周家东博士制备出高质量MoTe₂样品；南方科技大学林君浩副教授进行了STEM表征，证实了MoTe₂样品为Td结构；物理所吕力课题组刘广同副研究员带领学生崔健、李沛岭，完成了低温强磁场的输运测量，发现了二维超导以及面内上临界场的增强及其两重对称性；香港科技大学罗锦团(K. T. Law) 教授、刘军伟教授与贺文宇博士，从理论上给出了各向异性自旋—轨道耦合作用下的超导机制。

参考文献：

Jian Cui, Peiling Li, Jiadong Zhou,Wen-Yu He, Junhao Lin, Zheng Liu, Guangtong Liu et al. Transport evidence ofasymmetric spin–orbit coupling in few-layer superconducting 1T_d-MoTe_2.Nature Communications 2019.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09995-0