物理学院 School of Physics, Nanjing University

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缪峰课题组与王强华课题组合作报道第二类外尔半金属超导研究重要进展

2018年11月19日

由于拓扑超导体在量子计算中潜在的巨大价值,近年来,全世界的科学家们对寻找潜在的拓扑超导材料表现出极大的兴趣。随着外尔半金属在近几年出现在科学家们的视野,理论预言超导态下的外尔半金属有可能成为拓扑超导的候选材料—外尔费米子的配对会表现出不同于普通BCS配对的性质。其中,与第一类外尔半金属相比,第二类外尔半金属由于拥有倾斜的外尔锥以及在电子空穴口袋边界形成外尔点,理论预言在超导态时,二类外尔半金属会表现出更显著的拓扑超导的性质。二碲化钨(WTe2)作为一种被广泛关注的第二类外尔半金属,研究其超导性质对探索拓扑超导具有重要的意义。然而本征的二碲化钨是非超导材料,如何使其在保持第二类外尔半金属特性的同时实现超导,是当前研究领域的一个重大挑战。

我校物理学院的缪峰教授课题组之前(2016年)利用低温电子输运的手段,提供了二碲化钨作为第二类外尔半金属的有力实验证据(Nat. Commun. 2016, 7, 13142)。在此基础上,缪峰课题组近日又首次实验实现了近邻效应诱导的WTe2的超导,在其超导态下观察到了反常的亚带隙输运特征;我校物理学院的王强华教授课题组理论结合实验,理论证明了实验观察到的微分电阻震荡来源于WTe2超导的亚带隙反常特性。需要指出的是,不同于之前人们研究的高压诱导超导,这项工作中近邻效应诱导的二碲化钨超导仍保持了其第二类外尔半金属的特征,为后续研究外尔半金属最终实现拓扑超导奠定了基础。


图 a)WTe2/NbSe2异质结器件结构示意图;b)WTe2被诱导实现超导;c)微分电阻(dV/dI-Vds)的震荡数据;d)理论计算WTe2超导的亚带隙反常特性。

这项工作首先利用二维材料可控转移技术,制备了WTe2/NbSe2范德华垂直异质结(如图a所示)。在这个结构中,NbSe2作为超导体,在垂直方向上通过近邻效应诱导实现了WTe2超导,如图b所示,可以根据测量的临界电流证实超导信号来自于WTe2。同时, WTe2在不同偏压下的微分电阻(如图c所示)表现出了震荡的趋势,与一般超导体截然不同。对一般超导体,当电流导致超导被破坏时,电阻会从零瞬时变回常值电阻;而对于WTe2,微分电阻的震荡表明其在从超导态到正常态的变化过程中,库珀对的破坏并不是在瞬时发生的,而是一个逐步被破坏的过程。理论计算表明,WTe2被NbSe2诱导超导后,其态密度在超导带隙内是V型的,不同于一般超导体的U型。此外,态密度在带隙内的震荡趋势(图d)与实验结果吻合很好,证明了观察到的微分电阻震荡确实是WTe2超导的亚带隙反常引起的独特性质。最后,值得指出的是,除了利用近邻效应,在同样的WTe2体系中实现超导还可能有不同的技术途径,其中包括不久前我校物理学院李绍春教授合作团队提出的碱金属插层的实验手段。

该工作以“Proximity-Induced Superconductivity with Subgap Anomaly in Type II Weyl Semi-Metal WTe2”为题,近日(2018年11月7日)在线发表于Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03924)。我校物理学院博士生李乔、博士生何超城和博士生王瑶佳为该工作的共同第一作者,缪峰教授、王强华教授和梁世军副研究员为该工作的共同通讯作者。中国科学技术大学陈仙辉教授和中科院物理所石友国研究员为该工作提供了实验材料的支持,我校物理学院的邵陆兵副教授也参与了该合作课题。该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持,以及南京大学卓越计划、国家杰出青年科学基金、科技部“量子调控”国家重大科学研究计划青年项目、国家自然科学基金等项目的资助。

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