【聚焦“雙一流”】物質科學與信息技術研究院單磊教授團隊合作實現拓撲半金屬碳化鎢與普通金屬界面超導

發布時間:2020-03-14

本網訊(物科院 施春霖)近日,物質科學與信息技術研究院單磊教授團隊與中科院物理研究所陳根富研究員團隊合作,在Phys. Rev. BAdv. Mater.上發文,報道了利用點接觸技術和薄膜沉積的方法在三重簡并拓撲半金屬碳化鎢(WC)表面誘導出超導電性的系列工作。

近年來,拓撲超導體因其在Majorana 費米子的研究和拓撲量子器件上的潛在應用受到了廣泛的關注,然而,本征的拓撲超導材料非常罕見。近期的理論和實驗研究表明:除本征的拓撲超導材料之外,拓撲絕緣體和拓撲半金屬材料中拓撲非平庸的能帶結構為實現拓撲超導電性提供了可能的途徑。多數研究組嘗試采用摻雜、高壓或通過近鄰效應等在拓撲絕緣體和拓撲半金屬中實現拓撲超導。令人驚異的是:在20162017年,北京大學的王健研究組和印度科學教育研究院的G. Sheet研究組各自獨立地利用點接觸的方法在Cd3As2TaAs等拓撲材料上誘導出超導信號。這種通過普通金屬針尖在拓撲材料上誘導超導的方法為探索拓撲超導提供了新的思路,但是一直以來,其內在機理仍不清楚,另外,這種方法誘導的超導電性僅局限在針尖附近。

研究團隊首先利用點接觸方法,使用普通金屬(Au, PtIrW)針尖在一種硬度極大、性質穩定的拓撲半金屬WC晶體上成功誘導出了轉變溫度最高接近12K的超導電性,并首次報道磁性金屬(Fe, Co Ni)針尖能夠實現與非磁性針尖相似的超導轉變溫度(Phys. Rev. B 2019)(參見圖1)。在這一發現的推動下,團隊利用磁控濺射在WC表面沉積了多種非磁性和磁性金屬薄膜,然后在沉積的金屬薄膜上用銀膠制備了點接觸結,同樣觀測到了超導電性(Adv. Mater. 2020)(參見圖2)。以上實驗表明拓撲材料與金屬之間的耦合作用是超導出現的主要機制,排除了之前推測的針尖局部壓力和尺寸限制效應等作為主要因素;使用磁性針尖或磁性薄膜同樣能誘導出超導電性的事實,暗示該界面超導可能具有非常規的自旋三態配對的成分;另外,通過鍍膜實現金屬/拓撲材料界面超導的方法簡便易行,將來可能適用于其它測量手段以及量子器件的制備,從而進一步了解界面超導的特性和產生的機制。

以上研究為探索拓撲超導和相關量子器件制備提供了新的思路,后續的工作仍在進行。上述研究工作分別發表于近期的Phys. Rev. B, 100, 235109 (2019)Adv. Mater. 1907970 (2020),物質科學與信息技術研究院單磊教授為文章的共同通訊作者。

1. 點接觸針尖在WC晶體上誘導超導電性

2. 金屬薄膜沉積在WC晶體上誘導超導電性


文章鏈接:

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.100.235109

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907970





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