一个领域10个诺奖！Science：麻省理工为二维超导量子材料打开新的窗户！

Glenn

2020-10-15

人类历史，也是一部材料史。从石器时代，到青铜器和铁器时代，再到硅时代，每一次人类文明的巨大飞跃，都伴随着材料的革命性发展。

如今，量子材料开始走进人们的生活。

从广义而言，量子材料是指其电子或磁性行为无法用经典物理来解释的材料。量子材料的出现，引发了新一轮的研究热潮，使得新的物理现象被发现，并为低功耗电子学、传感、光电探测、高速电子学或量子信息科学等领域的应用，打开新的世界。

超导量子材料

超导体，是量子材料中最令人神往的材料之一。

超导可以以100％的效率传输电能，在各个领域具有广泛用途。然而，超导状态一般存在于远低于室温（295开尔文）的温度下，导致这些应用受到了阻碍。一个世纪以来，全球科研人员一直在寻求能够实现室温超导的材料，以在没有损失的情况下输送电流。

1911年，Onnes等人在冷却温度低于4 K的水银中首次发现超导，材料变为超导的温度称为临界温度。很快，科学家就发现，如果可以找到临界温度远高于4K的材料，那么表现出零电阻的状态可能非常有用。在过去的一个世纪中，随着越来越多的超导体被发现，所达到的最高临界温度的已经逐步朝着室温迈进。

2018年，麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero和曹原团队在~1.1°魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门。

魔角石墨烯示意图

2019年，德国马普化学所Drozdov团队报道了当压力压缩到地球大气压超过一百万倍时，氢化镧化合物在250 K时就变成超导体，这是目前已知的最接近室温的超导体。

250K 超导

一百多年来，因为超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家有10人，不可谓不多！实现高温超导，成为了全世界科学家梦寐以求的事情。

高温超导的之所以难以实现，本质上在于这些材料的超导机制还没有被完全理解。通过降低维度，来揭示超导背后的本征物理学，似乎是一个不错的选择。

二维超导面临的困局

二维材料为简化超导研究提供了帮助，也为揭示凝聚态物理的众多未解之谜带了来了新方案。譬如“拓扑”相变的早期例子，Berezenskii-Kosterlitz-Thouless (BKT)转变，其发现获得了2016年诺贝尔物理学奖。而魔角石墨烯的发现，也将高温超导再一次推向聚光灯之下。

尽管二维超导性的材料是已知的，但晶体中的缺陷阻碍了研究。因为2D材料只有几个原子厚，所以它们在暴露于空气中时会退化，或者由于剥落而产生缺陷。由于这些原因，2D材料通常需要用氮化硼保护层手工封装。

为了建立一个研究2D超导纯物理的系统，可将一种已知的材料制造得尽可能纯净，或者设计一种新的材料。然而，提纯材料既昂贵又耗时，而开发新材料又面临许多其他挑战。

超级干净的二维超导

2020年10月9日，麻省理工学院J. G. Checkelsky团队在Ba₆Nb₁₁S₂₈中发现了干净的2D超导性，这为更好地理解2D超导性及其相关的量子效应打开了大门。普林斯顿大学Leslie M. Schoop对该研究做了分析评论。

材料设计

研究人员展示了一种本征的二维异质结构，由交替的2D超导体NbS₂层和一个“对电子不感兴趣”的间隔层Ba₃NbS₅组成。如果把这个材料想象成一层蛋糕，在较厚的蛋糕层之间反复插入一层薄薄的巧克力。巧克力是超导体(NbS₂)，面团是隔离层，保护巧克力免受破裂或空气或水分的侵蚀。

超导性能

由于这种保护，NbS₂层显示出比单个无保护层更清晰的2D超导性。受保护的NbS₂层中的电子迁移率表明了这一特征，比未受保护的对应层中报道的电子迁移率高三个数量级。此外，由于NbS₂层的高纯度，可以在Ba₆Nb₁₁S₂₈中可以观察到BKT转变。

图1. 材料构造

研究特色

这种材料的美妙之处还在于异质结构的自然生长，就好像前面提到的蛋糕层可以仅仅通过将巧克力和面糊混合在一个碗中，然后将混合物放入烤箱中烘烤，在烘烤过程中两种成分自然分离。这使得合成过程比手工添加每一层的劳动强度小得多，这在用氮化硼保护2D晶体时是必要的。

小结

这种易于合成的策略，为开发不同类型的二维层状材料提供了新思路。其中的2D层不一定非得是超导体，也可以是其他不同类型的量子材料，譬如拓扑绝缘体。这项研究为纳米器件的制造，量子计算的实现，起到了重要推动作用。

关键问题是，这种策略是否能扩展到Ba₆Nb₁₁S₂₈以外的其他材料，这需要更多的研究来证明！

参考文献：

[1] A. Devarakonda, et al. Clean 2D superconductivity in a bulk van der Waals superlattice, Science, 2020, 370(6513): 231-236.

DOI: 10.1126/science.aaz6643

https://science.sciencemag.org/content/370/6513/231

[2] Leslie M. Layer-cake 2D superconductivity, Science , 2020, 370(6513): 170.

DOI: 10.1126/science.abd4225

https://science.sciencemag.org/content/370/6513/170