復旦大學物理學系修發賢課題組在二維超導天線的研究中取得重要進展

近日，復旦大學物理學系教授修發賢在二維層狀超導體二硒化鈮的非互易天線研究中取得重要進展。11月6日，相關研究成果以《基於二硒化鈮的超導非互易天線》（Nonreciprocal Superconducting NbSe2 Antenna）為題在線發表於期刊《自然·通訊》（Nature Communications 11,5634(2020)）。

近年來，二維層狀單晶超導材料在國際上成為備受關注的研究重點。相較於傳統非晶態、多晶態超導薄膜，二維層狀單晶超導材料由於其極高的單晶質量，因而能將超導態保持到納米級的原胞層厚度，這使得探測樣品的本徵二維超導的新奇屬性成為可能，同時也為人們理解和調控低維超導態、超導量子相變等提供了新的研究平臺。儘管二維層狀單晶超導材料擁有豐富的量子現象，其在新功能納米器件方面亦擁有巨大潛在應用價值，但現階段科研人員對二維層狀單晶超導材料的研究大都集中在在物理屬性方面，基於二維層狀單晶超導體的新功能器件的研究尚且處於空白狀態。

圖（a）超導二硒化鈮天線器件示意圖

圖（b）超導二硒化鈮天線器件的頻譜響應二維圖

為了構建基於二維層狀單晶超導體的新功能器件，修發賢課題組首先製備了高質量的單晶二硒化鈮塊材，並用膠帶機械剝離法成功解離出厚度在1-5nm的高質量二維單晶超導二硒化鈮。有趣的是，通過輸運測量發現，在超導溫度以下，樣品的二倍頻磁阻等溫曲線呈現多峰的反對稱特點。通過進一步對不同電流下的二倍頻磁阻信號分析研究發現，這是由於對稱性破缺造成的可逆電磁手性效應，該效應對應的雙伽瑪值（反映電磁手性效應的強度參數）遠大於傳統非超導體系。

基於這種可逆電磁手性效應，修發賢課題組設計製備了納米尺度超導二硒化鈮天線器件。在超導態下，由於二硒化鈮中的渦旋在外電磁場驅動下獲得了淨速度，器件可以實現對外界施加的電磁波的信號的非互易可逆探測：當對天線器件輻射電磁波時，器件可以穩定的產生直流電壓、電流信號，並持續穩定地對外界輸出能量（做功）。同時，該器件可以實現對小到1微瓦的電磁波信號的探測，器件的探測頻譜寬度可達5MHz-900Mhz。

該項工作填補了世界上基於二維單晶超導體的器件研究的空白，對於新型二維單晶超導體的實際器件應用具有重要意義。該項研究工作表明，二維層狀單晶超導體對射頻甚至更高頻段的電磁波的能量採集、探測和識別等過程是一個非常好的器件實現平臺。特別是，這種納米尺度的超導天線器件，可以工作在極低溫條件下，在未來超導量子計算電路中具有潛在的應用前景。

該研究工作的合作團隊包括復旦大學微納電子器件與量子計算機研究院沈健教授、郭杭聞研究員，英國曼徹斯特大學Sarah J. Haigh教授、鄒逸超博士，日本東京大學Naoto Nagaosa教授。該工作獲得了復旦大學物理學系，應用表面物理國家重點實驗室，國家重點研發計劃，基金委重點項目、優秀青年基金和面上項目，博新計劃和博士後面上項目的大力支持與資助。論文的第一單位為復旦大學物理學系，復旦大學物理學系教授修發賢為通訊作者，課題組博士後張恩澤為第一作者。

修發賢課題組主要從事拓撲材料的生長、量子調控以及新型低維原子晶體材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力於新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的製備與表徵。在新型低維原子晶體材料的器件方面主要研究其電學、磁學和光電特性。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19459-5