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MIT最新Science:超导领域重大突破

时间:2020-10-10 22:01:55 来源:本站 阅读:4272912次
MIT最新Science:超导领域重大突破

▲第一作者:A. Devarakonda
通讯作者:J. G. Checkelsky

通讯单位:Massachusetts Institute of Technology

DOI:10.1126/science.aaz6643

背景介绍

在间隙函数中具有实空间或动量空间节点的超导状态对无序状态非常敏感这种结点配对状态会因间隙函数的动量空间平均而减弱,该间隙函数是由无序诱导的库珀对在费米表面上的散射引起的。通常,当库珀对在皮帕德相干长度ξ0内具有明确定义的晶体动量k时,可以避免这种无序平均。当ξ0小于电子平均自由程L(即ξ0/L≪ 1)时,可以满足这一条件。二维超导体在突破这种所谓的纯净极限中起着至关重要的作用,其中包括用于有限动量库珀配对的原型平台构建以及最近利用常规态自旋结构构造的非常规超导相结构。但是目前,低维超导的研究进展通常是通过提高材料质量来实现的。除一小部分有机材料外,几乎没有发现纯净极限的二维(2D)超导体,这阻碍并消减了人们对具有弱配对对称性的奇特超导进行长期探索的热情。

本文亮点

1、开发了一个由过渡金属二硫化物(TMD)超晶格组成的超导体,通过构建2H-铌二硫化物(2H-NbS2)和相称的阻挡层可产生增强的二维高电子质量,并实现无污染的无机2D超导。
2、 Ba6Nb11S28的大电子平均自由程实现了纯净极限超导,并有可能实现单层H-MX2超导体中预测的非常规相。

3、扩展与MX2自然相称的超晶格系列材料还可以为更长的平均自由程铺平道路,这将使WTe2超晶格中的拓扑边缘模式电路或MoS2等相关TMD半导体材料中的激子寿命更长。

4、密度泛函理论(DFT)计算表明,最低能量裂解发生在H-MX2和块层之间,这意味着机械剥离的Ba6Nb11S28可以类似于通过堆叠MX2和h-BN制成的vdW结构一样自主地封装成H-NbS2单层。


图文解析

MIT最新Science:超导领域重大突破

图1. Ba6Nb11S28和二维超导


要点: 1、 对于基底上的TMD薄片,同时破坏镜像和反转对称性会导致在费米表面上由Ising和Rashba成分混合组成自旋纹理结构。这些自旋纹理和所产生的物理场在体积限制内被抑制,同时在该范围内整个晶胞保持了反演对称性。

2、 Ba6Nb11S28强大的无机特性为检验超导潜在的实空间调制提供了机会。

3、 使用光学和原子力显微镜观察到,可以使用标准的剥离技术来获得适用于器件制造的薄片。但是鉴于块体Ba6Nb11S28已经表现出二维物理学性质,通过插入相称的间隔层而不需要剥离即可制造相应的纳米器件。

MIT最新Science:超导领域重大突破

▲图2. Ba6Nb11S28的量子振荡和电子结构
要点:

1、在具有相称阻挡层的整体单晶超晶格中,可以实现电子迁移率比整体2H-NbS2大三个数量级以上的高质量H-NbS2单层。同时Ba6Nb11S28还具有明显的2D Shubnikov-de Haas(SdH)量子振荡。

2、Ba6Nb11S28中H-NbS2层观察到电子迁移率的大幅提高归因于类似于在半导体工程异质结中观察到的高度可极化阻挡层的屏蔽作用。

3、通过引入磁性成分,还可以对间隔层进行功能化以进一步调制H-MX2层。其他MX2材料的物理特性也可以受益于更长的电子平均自由程

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▲图3. Ba6Nb11S28中的2D超导、Pauli极限突破和超导相图
要点:

1、在TBKT = 0.82 K时表现出Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT)转变,证明了Ba6Nb11S28是一种纯净极限的二维超导体。

2、TMD结构可以通过自然扩展,生成具有改善材料性能的独特2D超导体、拓扑绝缘体和激子系统。


原文链接:
https://science.sciencemag.org/content/370/6513/231

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