導(dǎo)讀
近年來量子材料的概念逐漸走進(jìn)大家的視野，量子材料顧名思義就是由于自身電子的量子特性而具有奇異物理特性的材料。從銅氧化物超導(dǎo)體到鐵基超導(dǎo)體，從石墨烯到拓?fù)浣^緣體，越來越多的新材料不能被原來的自旋電子材料、強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系所準(zhǔn)確定義，而量子材料這一概念從本質(zhì)上描述了這類材料的特性。
縱觀幾十年來材料科學(xué)的發(fā)展歷程，從1984年臺(tái)基于量子材料的超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)的誕生到現(xiàn)在人為設(shè)計(jì)、制備量子材料，由量子材料制造的工具正在不斷推動(dòng)新型量子材料的研究和發(fā)展。從當(dāng)初的SQUID到現(xiàn)在的完備測量領(lǐng)域“生態(tài)圈”，Quantum Design正是這一歷史發(fā)展的見證者和創(chuàng)造者。
正文
今天我們?yōu)榇蠹医榻B北京大學(xué)王健教授(Quantum Design用戶)課題組在人為設(shè)計(jì)二維超導(dǎo)材料方面的新研究進(jìn)展。2018年4月Physical Review X報(bào)道了北京大學(xué)王健教授課題組的新發(fā)表的科研成果“Interface-Induced Zeeman-Protected Superconductivity in Ultrathin Crystalline Lead Films”。
眾所周知，在超導(dǎo)材料中電子并不是單存在而是以“庫珀對(duì)”的形式存在。對(duì)超導(dǎo)材料施加外磁場將會(huì)破壞“庫珀對(duì)”從而破壞材料的超導(dǎo)特性。在超薄二維超導(dǎo)材料中面內(nèi)限磁場Bc通常由泡利限Bp所決定，但是近期研究發(fā)現(xiàn)一些特殊的機(jī)制可以阻止“庫珀對(duì)”被破壞，使得Bc可以超越Bp的限制。例如，在自旋三重態(tài)的超導(dǎo)體中“庫珀對(duì)”由自旋平行的電子對(duì)組成，因此限場可以超越泡利限。在無序二維超導(dǎo)薄膜中傳統(tǒng)型“庫珀對(duì)”對(duì)應(yīng)的泡利限被自旋軌道散射取代，散射會(huì)破壞自旋朝向并減弱自旋順磁性。此外，內(nèi)在的自旋軌道相互作用(SOI)也會(huì)提升Bc。由面外對(duì)稱性破缺導(dǎo)致的Rashba型SOI可以在面內(nèi)產(chǎn)生自旋化提升限場，不過面內(nèi)的限磁場Bc上限是√2Bp。在面內(nèi)對(duì)稱性破缺的高質(zhì)量二維超導(dǎo)材料中，例如單層NbSe2和MoS2，也觀察到了Bc遠(yuǎn)超泡利限的現(xiàn)象，我們稱之伊辛超導(dǎo)特性。由于面內(nèi)對(duì)稱的破缺在面外產(chǎn)生的自旋化我們稱為Zeeman型 SOI，這樣的二維超導(dǎo)材料面內(nèi)限場Bc可以遠(yuǎn)超泡利上限。但是大多二維超導(dǎo)材料都是面對(duì)稱的，并不能產(chǎn)生Zeeman型SOI。
圖1 文章中對(duì)材料在不同磁場和溫度下超導(dǎo)性質(zhì)的測量
為了更加深入地研究塞曼保護(hù)超導(dǎo)性(Zeeman-protect Superconductivity)，王建教授課題組通過精密控制成功在Si(111)表面制備出面內(nèi)帶狀對(duì)稱性破缺的超薄Pb薄膜，測量發(fā)現(xiàn)6層Pb薄膜面內(nèi)限磁場Bc竟高達(dá)35.5T(大測量磁場)，遠(yuǎn)超泡利限Bp=14.7T，并且作者從理論計(jì)算上解釋了新型薄膜中的超高Bc的機(jī)理。超高Bc材料的發(fā)現(xiàn)對(duì)于超導(dǎo)機(jī)理的研究和超導(dǎo)材料的應(yīng)用都具有十分重要的意義，也推動(dòng)了超導(dǎo)材料在強(qiáng)磁場和多種端環(huán)境下的使用。這一結(jié)果也預(yù)示著人們有望在二維超導(dǎo)體系中，通過界面調(diào)制發(fā)現(xiàn)新的非常規(guī)超導(dǎo)特性。
圖2 文章中分別對(duì)4、5、6層Pb薄膜在不同溫度下的限場進(jìn)行的測量。
更多詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考原文獻(xiàn)(DOI:10.1103/PhysRevX.8.021002)
在本項(xiàng)研究中作者利用Quantum Design公司生產(chǎn)的綜合物性測量系統(tǒng)PPMS和磁學(xué)測量系統(tǒng)MPMS對(duì)材料磁場下的電學(xué)性質(zhì)以及磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了精細(xì)測量，優(yōu)質(zhì)的測量數(shù)據(jù)也為理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對(duì)比提供了重要的幫助。作為綜合物性和磁學(xué)測量的設(shè)備生產(chǎn)商，Quantum Design見證了我國在量子材料領(lǐng)域的快速發(fā)展。Quantum Design公司在30多年的發(fā)展歷程中，從初的SQUID到現(xiàn)在的MPMS3和PPMS，助力越來越多的科研工作者利用Quantum Design的優(yōu)質(zhì)設(shè)備取得重要科研成果。
Quantum Design也根據(jù)用戶的需求不斷推出新的設(shè)備和功能，目前PPMS已經(jīng)成為包含力、熱、光、電、低溫以及顯微學(xué)等功能的全面的測量系統(tǒng)。近Quantum Design推出了超全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)OptiCool，這是一套專門為低溫強(qiáng)磁場光學(xué)實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。結(jié)合已有的MPMS和PPMS， Quantum Design現(xiàn)已形成了完整的測量 “生態(tài)圈”，成為量子材料研究領(lǐng)域?yàn)橥陚涞臏y量體系。從量子設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)量子，Quantum Design 與時(shí)代共同前進(jìn)。
圖3 Quantum Design公司設(shè)備：MPMS3、PPMS和OptiCool
在此，Quantum Design再次祝賀王健教授課題組取得重要成果，也祝愿廣大Quantum Design用戶科研順利!
