清華新聞網3月16日電 超導體臨界磁場是指在外加磁場下超導態轉變成正常態所需的磁場強度。它是超導的基本性質之一，也是決定超導體應用的一項重要指標。第一個被發現的超導體——水銀，它的臨界磁場僅有幾十毫特斯拉。近年來人們發現，某些厚度僅有幾個原子層的薄膜可以在幾十特斯拉的磁場下保持超導，這大大超出了人們的預料。為了解釋這個現象，人們提出了伊辛配對機制，認為這是由於這一類特殊材料的晶格不具備中心反演對稱性，參與超導配對的電子具有了鎖定的自旋取向所致。在此框架下，人們通過在非中心對稱的材料中尋找，又發現了多個具有巨大臨界磁場的超導體。然而，也有人認為這完全是材料維度效應所導致的，挑戰了伊辛配對機制。同時，伊辛超導理論的一個重要預言——臨界磁場的低溫發散行為也一直未被實驗驗證。
最近，清華大學物理系張定副教授和薛其坤教授領導的中德合作團隊，打破了此前理論的限制，首次在具有高對稱性的材料——錫烯薄膜中觀測到了數倍於理論預期的臨界磁場，並清晰地觀測到了溫度逼近絕對零度時臨界磁場的發散行為，給出了伊辛超導非常強的證據。北京時間3月13日，相關研究成果以《錫烯薄膜中的第二類伊辛配對機制》（「Type-II Ising pairing in few-layer stanene」）為題在線發表於《科學》（Science）上。
圖1. 實驗測得的錫烯超導中奇異的上臨界磁場行為。顏色代表樣品的電阻（紫色區間為正常態，深藍色區間為超導）。圓圈標出了不同溫度下的上臨界磁場。實線和虛線代表了不同的理論模型，其中紅色為本工作中提出的第二類伊辛配對機制。左下和右上的示意圖分別畫出了錫烯的原子結構和能帶。
薛其坤教授研究團隊長期從事原子級可控的高質量薄膜的製備和物性探索，在二維超導領域發現了單層鉛膜超導、單層鐵硒/鈦酸鍶界面高溫超導和雙原子層鎵膜超導的格裡菲斯奇異性等。2018年，團隊核心成員張定副教授等人首次發現灰錫薄膜—錫烯—具有超導電性（ 《自然-物理》Nature Physics, 14，344（2018）），隨後發現其面內上臨界磁場超過了常規超導體的上限—泡利極限。
為了進一步深刻理解錫烯的二維超導特性，研究團隊與德國馬普固態研究所的約瑟夫-福森（Joseph Falson)博士和尤根-斯密特（Jurgen Smet）教授合作，利用極低溫強磁場下原位旋轉測量技術，系統測量了不同厚度錫烯樣品在近乎整個超導溫度區間上臨界磁場的變化行為，發現上臨界磁場不僅超出泡利極限，而且在溫度逼近絕對零度時仍無飽和跡象，這是典型的伊辛超導行為。由於錫烯具有中心反演對稱性，這些行為不能用現有的伊辛超導理論解釋。為了理解這一令人困惑的現象，清華大學物理系徐勇副教授和北京師範大學劉海文研究員等開展了深入的理論研究。
通過理論與實驗的緊密結合，最終提出了由自旋軌道耦合與材料對稱性共同作用的新一類伊辛配對機制，即第二類伊辛配對機制。該工作不但為伊辛超導的存在提供了實驗證據，也拓寬了人們尋找伊辛超導的材料範圍。
清華大學物理系張定副教授、北京師範大學劉海文研究員和德國馬普固態研究所尤根·斯密特（Jurgen Smet）教授為該文章的通訊作者，德國馬普固態研究所的約瑟夫·福森（Joseph Falson）博士為第一作者。合作者還包括清華大學物理系的段文暉教授和何珂教授，已畢業的臧運禕博士（現為德國馬普微結構所博士後），博士生廖孟涵、朱科靜、王衝和張澤濤，以及北京大學物理學院的博士生劉宏超。該工作得到了國家自然科學基金、國家科技部、清華大學低維量子物理國家重點實驗室、北京未來晶片技術高精尖創新中心等的支持。
文章連結：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/11/science.aax3873
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：程曦