超導體自百年前發現以來，因其具有無耗散的零電阻和完全抗磁特性，在很多方面展現出巨大的應用前景，從而引起了學術界和工業界的持續廣泛關注。近年來，隨著超薄單晶薄膜或器件製備工藝的提高，二維超導晶體的研究逐漸成為國際研究的前沿熱點之一。北京大學王健研究組與合作者在前期二維超導的相關研究中取得了一系列具有重要學術價值的創新性成果，如量子格裡菲斯奇異性的發現(Science 350, 542 (2015), 同期perspective評論文章Science 350, 509 (2015)專題報導)，被Iwasa研究組綜述文章Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016)譽為二維晶體超導中三個最重要的主題之一；通過界面調控實現新的不同於體材料的二維超導相（Physical Review Letters 114, 107003 (2015)編輯推薦）以及二維界面高溫超導的證實（Chinese Physics Letters 31, 017401 (2014), 被Science編輯選擇文章Science 343, 230 (2014)報導）等。
近來，通過機械剝離成薄層的過渡族金屬硫化物，作為超越石墨烯的候選材料，已成為國際研究的熱點，其中強自旋軌道耦合的二維晶體超導體，為人們探索新奇量子現象提供了一個廣闊的平臺，如拓撲超導態的探索等。有報導指出，在單層NbSe2薄片和柵極調製的MoS2中，面內中心反演對稱性的破缺產生了塞曼自旋軌道耦合保護的超導電性（Zeeman-protected superconductivity）。塞曼保護超導體系的重要特徵是具有非常大的面內臨界場，常常可達到數倍的泡利極限（Pauli limit），往往會對應幾十特斯拉或更高的磁場。北京大學王健研究組與合作者在前期工作中首次報導了超高真空分子束外延製備的宏觀面積的單層NbSe2薄片在強磁場和極低溫下的直接輸運測量結果，證實了平行特徵臨界場Bc//(T = 0)是順磁極限場的5倍以上（Nano Letters 17, 6802 (2017)）。然而，大部分二維超導體系都具有面內中心反演對稱性，無法自發產生塞曼保護超導電性，大大限制了這一前沿領域的研究範圍和潛在應用。
近日，北京大學物理學院量子材料科學中心的王健教授與謝心澄院士、馮濟教授，和北京師範大學的劉海文研究員、武漢國家強磁場科學中心王俊峰研究員以及中科院合肥強磁場科學中心的田明亮研究員、郗傳英博士等人合作，通過使用鉛的條狀非公度相作為鉛膜和矽襯底的界面，用超高真空分子束外延技術成功製備出一種宏觀面積的、塞曼保護的新型二維超導體。系統的低溫強磁場實驗表明，該體系的超導電性可存在於超過40特斯拉的平行強磁場中，這一數值遠超過體系的泡利極限，是塞曼保護超導電性的直接證據。第一性原理計算結果也表明，條狀非公度相中特殊的晶格畸變會延伸至鉛膜中，從而在該體系中引入很強的塞曼自旋軌道耦合。同時，新的微觀理論也給出了強雜質情形下各種自旋軌道耦合及散射效應對二維超導臨界場的影響並定量地解釋了塞曼保護超導電性的物理機制。該工作表明，可以通過界面工程在中心反演對稱性保護的二維超導中引入面內中心反演對稱性破缺，也即在二維晶體超導體系中人工引入塞曼保護的超導電性機制。這一結果預示出人們有望在二維超導體系中，通過界面調製發現新的非常規超導特性。這種宏觀尺度強自旋軌道耦合下的二維超導，也為拓撲超導的探索提供了新的平臺，並為未來無耗散或低耗散量子器件的設計與集成奠定了基礎。
該工作於2018年4月2日發表於物理著名學術期刊Physical Review X。(Physical Review X 8, 021002 (2018) DOI: 10.1103/PhysRevX.8.021002): https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.021002.
北京大學的劉易和王子喬為共同第一作者，北京大學的王健教授和北京師範大學劉海文研究員是本文的共同通訊作者。
該工作得到了國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、華中科技大學脈衝強磁場開放項目、量子物質科學協同創新中心、中國科學院先導培育項目、中科院拓撲量子計算卓越創新中心、中央高校基本科研基金的支持。王健特別感謝謝心澄、王垡、徐莉梅、任澤峰以及量子物質科學協同創新中心在北大超高真空分子束外延與低溫掃描隧道顯微鏡實驗室搭建過程中給予的實驗室空間與部分經費的支持。
圖 (a) 脈衝強磁場實驗表明6個原子層厚鉛膜的超導電性在高達40 T的水平強場下仍不被破壞。(b) 臨界場隨溫度的關係與理論高度重合，有力地證明了超薄鉛膜中的塞曼自旋軌道耦合保護的超導電性。 (c) 對外延生長於條狀非公度相（SIC）界面上的超薄鉛膜進行磁阻測量的示意圖。
編輯：天怡