MIT最新Science：超導領域重大突破

2020-10-10 研之成理

▲第一作者：A. Devarakonda
通訊作者：J. G. Checkelsky

通訊單位：Massachusetts Institute of Technology

DOI：10.1126/science.aaz6643

背景介紹

在間隙函數中具有實空間或動量空間節點的超導狀態對無序狀態非常敏感。這種結點配對狀態會因間隙函數的動量空間平均而減弱，該間隙函數是由無序誘導的庫珀對在費米表面上的散射引起的。通常，當庫珀對在皮帕德相干長度ξ0內具有明確定義的晶體動量k時，可以避免這種無序平均。當ξ0小於電子平均自由程L（即ξ0/L≪ 1）時，可以滿足這一條件。二維超導體在突破這種所謂的純淨極限中起著至關重要的作用，其中包括用於有限動量庫珀配對的原型平臺構建以及最近利用常規態自旋結構構造的非常規超導相結構。但是目前，低維超導的研究進展通常是通過提高材料質量來實現的。除一小部分有機材料外，幾乎沒有發現純淨極限的二維（2D）超導體，這阻礙並消減了人們對具有弱配對對稱性的奇特超導進行長期探索的熱情。

本文亮點

1、開發了一個由過渡金屬二硫化物（TMD）超晶格組成的超導體，通過構建2H-鈮二硫化物（2H-NbS2）和相稱的阻擋層可產生增強的二維高電子質量，並實現無汙染的無機2D超導。
2、 Ba6Nb11S28的大電子平均自由程實現了純淨極限超導，並有可能實現單層H-MX2超導體中預測的非常規相。

3、擴展與MX2自然相稱的超晶格系列材料還可以為更長的平均自由程鋪平道路，這將使WTe2超晶格中的拓撲邊緣模式電路或MoS2等相關TMD半導體材料中的激子壽命更長。

4、密度泛函理論（DFT）計算表明，最低能量裂解發生在H-MX2和塊層之間，這意味著機械剝離的Ba6Nb11S28可以類似於通過堆疊MX2和h-BN製成的vdW結構一樣自主地封裝成H-NbS2單層。


圖文解析

▲圖1. Ba6Nb11S28和二維超導


要點： 1、 對於基底上的TMD薄片，同時破壞鏡像和反轉對稱性會導致在費米表面上由Ising和Rashba成分混合組成自旋紋理結構。這些自旋紋理和所產生的物理場在體積限制內被抑制，同時在該範圍內整個晶胞保持了反演對稱性。

2、 Ba6Nb11S28強大的無機特性為檢驗超導潛在的實空間調製提供了機會。

3、 使用光學和原子力顯微鏡觀察到，可以使用標準的剝離技術來獲得適用於器件製造的薄片。但是鑑於塊體Ba6Nb11S28已經表現出二維物理學性質，通過插入相稱的間隔層而不需要剝離即可製造相應的納米器件。

▲圖2. Ba6Nb11S28的量子振蕩和電子結構
要點：

1、在具有相稱阻擋層的整體單晶超晶格中，可以實現電子遷移率比整體2H-NbS2大三個數量級以上的高質量H-NbS2單層。同時Ba6Nb11S28還具有明顯的2D Shubnikov-de Haas（SdH）量子振蕩。

2、Ba6Nb11S28中H-NbS2層觀察到電子遷移率的大幅提高歸因於類似於在半導體工程異質結中觀察到的高度可極化阻擋層的屏蔽作用。

3、通過引入磁性成分，還可以對間隔層進行功能化以進一步調製H-MX2層。其他MX2材料的物理特性也可以受益於更長的電子平均自由程。

▲圖3. Ba6Nb11S28中的2D超導、Pauli極限突破和超導相圖
要點：

1、在TBKT = 0.82 K時表現出Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT)轉變，證明了Ba6Nb11S28是一種純淨極限的二維超導體。

2、TMD結構可以通過自然擴展，生成具有改善材料性能的獨特2D超導體、拓撲絕緣體和激子系統。


原文連結：https://science.sciencemag.org/content/370/6513/231

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