新型二维超导材料探索取得进展

新型二维超导材料探索取得进展 | 进展

2017 年 11 月 10 日 中科院物理所 A02

近年来研究人员在多种材料的异质结或低维系统中发现了超导现象，并发现了多种与超导相关的新物性和新效应，极大地拓宽了超导的研究体系。在低维系统的制备方面，利用脉冲激光沉积（PLD）和分子束外延（MBE）等方法，可以生长出高质量SrTiO₃/LaAlO₃，FeSe/SrTiO₃和Bi₂Te₃/FeTe等异质结薄膜，实现了二维超导或提高超导转变温度（T_c）的目的。另一方面，利用离子液体调控技术，调节栅极电压，在高质量的层状单晶表面实现了二维超导界面。细致的物性研究证明了低维超导体与铁磁性共存、金属-绝缘体相变、超导-绝缘体相变和Berezinskii–Kosterlitz–Thouless(BKT)相变等新奇的物理现象。上述两种研究方法，需要借助苛刻的样品制备、样品解离和加工工艺等，操作有一定的局限性。利用结构调控手段，通过引入电负性不同的新元素，诱导形成额外的共价键，可以有效地导致化合物的结构的低维化并改变电子结构，从而在新的材料维度下发现新的物性和效应。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）A02组郭建刚副研究员，博士生陈旭、刘宁，陈小龙研究员等成功地制备出一种新型层状超导体AuTe₂Se_4/3，与物理所谷林A04研究组、中国人民大学雷和畅副教授和复旦大学李世燕教授合作，通过高分辨透射电镜和低温输运测试证实Se元素的引入，成功地将三维无序的立方AuTe₂相转化为二维层状结构，并证明了其中的超导是二维态且存在着BKT拓扑相变。图1(a，b)是利用球差电子显微镜获取的晶体ab-面内和沿c轴排列的原子分布图，可以看出化合物的晶体结构是由相同的立方体基元沿a-，b-和c-轴堆垛而成。该立方体基元内Au，Te和Se的原子占位有序，Au占据立方体的面心，Te占据立方体棱的中心，Se占据立方体的角，如图1(c)所示。图2表示ab面内立方体的排列方式，可以清晰地看出立方体沿a和b轴方向存在着较短的Te-Te共价键（3.18 Å和3.28 Å）。而立方体基元之间沿c轴方向的Te-Te间的垂直距离为3.47 Å，导致整个晶体结构呈现出典型的层状结构。通过能带结构计算，可以看出AuTe₂Se_4/3的电子结构为明显的低维化特性，电子导电方向主要沿Q-Z方向，即实空间的a轴，如图3所示。低温电阻率测试表明该化合物的超导转变温度T_c为2.85 K，通过上临界场与磁场和电流夹角的依赖关系，判断出该超导呈现的准二维化特征，见图4（a，b）。进一步测量变温V-I曲线，可以看出当温度趋近于T_c时，AuTe₂Se_4/3的V-I曲线幂指数逐渐增大，当该指数大于3时，意味着超导态发生了BKT相变，此时对应的温度T_BKT=2.78 K与T_c基本一致。同时通过拟合电阻与温度的关系曲线得到T’_BKT=2.69 K，该值与V-I曲线拟合的T_BKT相符，见图4（c-e）。一系列的电学表征实验表明当AuTe₂Se_4/3进入超导态时，手性相反的超导涡旋两两配对形成了束缚态，在二维平面内形成“准长程序”的相位。以上结果表明通过降低晶体结构维度，可以成功地在超导化合物中诱导出新的效应，对今后探索新型二维层状超导材料和研究物性对维度依赖等新现象具有重要意义。

以上研究成果发表于Nature Communications 8, 871,(2017)。该工作得到了国家自然科学基金重点项目（51532010），科技部重点研发计划（2016YFA0300600和2016YFA0300504），自然科学基金（91422303, 51522212, 11574394, 11774423），中国科学院“百人计划”和中国人民大学基础研究基金（15XNLF06, 15XNLQ07）等项目的支持。