微纳尺度伊辛超导器件中的非本征和本征反常金属态

二维晶态超导体[1]因其中的反常金属态[2]、量子格里菲斯相[3]和伊辛超导电性[4]等诸多新奇特性得到了国际学术界的广泛关注。早期理论指出，在二维玻色体系中不存在金属态。近年来，多个实验研究组分别在不同的二维超导体系中观测到了反常金属态（亦被称为量子金属态）的可能迹象。然而，由于外界高频噪声会对二维超导体系（尤其是微纳尺度的超导器件）的极低温电输运性质产生显著影响[5]，这使得前期没有经过有效滤波的实验结果遭受质疑。因此，极低温下的量子基态研究是当前物质科学领域具有挑战性的重要前沿课题，微纳尺度下二维反常金属态的存在与否仍需确凿的实验证据。

最近，北京大学物理学院量子材料中心王健教授与林熙研究员、中国石油大学（北京）邢颖副教授、中国人民大学刘易副研究员等合作，对机械剥离的过渡金属硫化物4Ha-TaSe2 超导薄片展开了系统和精密的电输运实验研究。研究团队通过高频滤波器对照实验，直接观测到了高频噪声诱导的非本征反常金属态。

更有趣的是，在更低温、更高磁场下，通过对测量线路进行有效滤波后，进一步得到了本征反常金属态的可靠实验证据，并绘制了包含本征和非本征反常金属态的完备相图。该工作揭示了在易受环境影响的二维微纳超导器件中，尽管存在高频噪声诱导的非本征反常金属态，但在更低温度下反常金属态仍然可以作为量子基态存在。这一工作证实了二维晶体超导器件中本征反常金属态的存在以及在量子基态研究中对于低温测量进行有效滤波的必要性。

此外，该团队还探索了4Ha-TaSe2的伊辛超导电性：在二维极限下，2.8纳米厚（约单个原胞层）的TaSe2薄片破缺了面内中心反演对称性，表现出超过6倍泡利极限的超高平行临界场，符合伊辛超导的物理机制。与以往观测到的伊辛超导现象不同，随着样品厚度从单层原胞层增加至三维块材，4Ha-TaSe2的平行临界场始终超过泡利极限。这可能和4Ha相TaSe2中层间距较大导致层与层之间耦合较弱有关。

2021年8月30日，该项研究成果以“Extrinsic and Intrinsic Anomalous Metallic States in Transition Metal Dichalcogenide Ising Superconductors”（过渡金属硫化物伊辛超导体中的非本征和本征反常金属态）为题在学术期刊《纳米快报》（Nano Letters）上在线发表。北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授、林熙研究员、中国人民大学刘易副研究员为共同通讯作者。中国石油大学（北京）邢颖副教授、硕士生杨朴、北京大学博士生葛军、闫姣婕为共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、中科院卓越创新中心的支持。

图：二维超导TaSe2器件的非本征(a)、本征(b)反常金属态实验证据；(c)包含非本征和本征反常金属态的相图；(d) 不同厚度样品的临界磁场随温度的变化关系，其中平行临界场无论是纳米级厚度的器件还是体材料均超过了泡利极限。

参考资料

[1] Saito, Y.; Nojima, T.; Iwasa, Y. Highly crystalline 2D superconductors. Nat. Rev. Mater. 2016, 2(1), 16094.

[2] Yang, C.; Liu, Y.; Wang, Y.; Feng, L.; He, Q.; Sun, J.; Tang, Y.;Wu, C.; Xiong, J.; Zhang, W.; Lin, X.; Yao, H.; Liu, H.; Fernandes, G.;Xu, J.; Valles, J. M.; Wang, J.; Li, Y. Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition. Science 2019, 366,505.

[3] Xing, Y.; Zhang, H. M.; Fu, H. L.; Liu, H. W.; Sun, Y.; Peng, J.P.; Wang, F.; Lin, X.; Ma, X. C.; Xue, Q. K.; Wang, J.; Xie, X. C. Quantum Griffiths singularity of superconductor-metal transition in Ga thin films. Science 2015, 350, 542.

[4] Xing, Y.; Zhao, K.; Shan, P.; Zheng, F.; Zhang, Y.; Fu, H.; Liu,Y.; Tian, M.; Xi, C.; Liu, H.; Feng, J.; Lin, X.; Ji, S.; Chen, X.; Xue, Q.-K.; Wang, J. Ising Superconductivity and Quantum Phase Transitionin Macro-Size Monolayer NbSe2. Nano Lett. 2017, 17, 6802−6807.

[5]Tamir, I.; Benyamini, A.; Telford, E. J.; Gorniaczyk, F.; Doron, A.; Levinson, T.; Wang, D.; Gay, F.; Sacépé, B.; Hone, J.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Dean, C. R.; Pasupathy, A. N.; Shahar, D. Sensitivity of the superconducting state in thin films. Sci. Adv. 2019, 5, eaau3826.

*中国科协科学技术传播中心支持

知社学术圈2021中国科技新锐推广计划

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01426