北京大学王健教授团队：晶态材料中的二维与界面超导

近日，北京大学王健教授课题组的AMR述评文章“Two-Dimensional and Interface Superconductivity in Crystalline Systems”在线发表。文章主要介绍了近期在二维及界面超导晶态材料体系中的研究进展，包括二维超导薄膜与器件中的新奇量子相变和非常规超导物态，以及通过构筑异质结实现的界面高温超导和潜在的拓扑超导态。

关键词：二维超导、界面超导、量子相变、非常规超导、拓扑超导

With the reduced dimensionality, the fluctuations, the disorder effect, and the intricate interactions between electrons, spins, and orbits may impose dramatic effects on the quantum behavior of 2D superconductors.

Nowadays, the advancements in material fabrications provide accessible high-quality 2D crystalline superconducting systems, including films grown by molecular beam epitaxy (MBE), flakes exfoliated from single crystals, superconducting interfaces within heterostructures, etc. The investigations of various 2D crystalline superconductors provide further insights into quantum phase transitions and quantum critical behaviors. Furthermore, the inherent properties of materials, such as spin–orbital coupling (SOC) and strong electronic correlations, may be intertwined with the 2D superconductivity. The interface effect and nontrivial topology could also be introduced through interface engineering and heterostructure fabrication, enabling the artificial design of 2D superconducting systems. Therefore, crystalline 2D and interface superconductors are promising to achieve many long-sought quantum states and to encounter unprecedented quantum phenomena.

1 文章内容简介

1911年，荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes通过液氦冷却金属汞,首次发现了超导转变，超导电性的研究自此拉开了帷幕。作为一种非常神奇的宏观量子现象，超导的物理机制和超导的相变行为，一直是凝聚态物理领域的重要前沿和核心科学问题。1957年，Bardeen–Cooper–Schrieffer（BCS）理论被提出，给出了超导电性的微观机制。根据BCS理论，两个电子通过电子-声子耦合形成具有反平行自旋和相反动量的库珀对，库珀对的相干凝聚导致了全局超导性。随着材料制备技术和实验手段的不断进步，高质量的晶态二维材料，逐渐成为研究超导电性和超导相变的重要实验平台。对于二维超导体，也即样品厚度小于超导库珀对相干长度的超导体，库珀对的配对形成和相干凝聚可以发生在不同的温度。同时，由于材料维度的降低，热涨落和量子涨落的效应会得到增强，这些特性会给二维超导带来独特的相变现象。此外，二维超导材料具有优异的可调控性，能够利用栅极场效应调节载流子浓度、通过异质结堆垛结合多种材料的独特物理特性、采用特殊衬底实现不同原子间距甚至是不同结构相的薄膜生长制备等，有望揭示新奇的超导物态与相变行为，推进人们对于非常规超导以及高温超导等物理机制的探索、理解与应用。

本篇述评主要介绍了本课题组与合作者近年来在高质量晶态的二维超导材料和界面超导体系方面的研究进展，涵盖了量子相变、衍生量子物态和非常规超导电性等方面，具体分为六个主题：量子格里菲斯奇异性、反常金属态、旋转对称性破缺超导、伊辛超导、界面高温超导和界面诱导超导。

在过去的三十年中，超导-绝缘体相变及超导-金属相变一直是二维超导的研究前沿，代表了二维超导体受无序和量子涨落影响的量子相变的经典范例，其相变过程通常只具有一个相变临界点及一个对应的相变临界指数。我们首次在二维超导材料三层金属镓薄膜中，发现了一种有效临界指数在趋近量子相变点时发散的行为——量子格里菲斯奇异性，这是一种超越了传统的超导-绝缘体和超导-金属相变理论框架的新奇量子相变行为。随后，我们在超薄铅膜中观测到了具有反常相边界的量子格里菲斯奇异性，以及在二碲化钯（PdTe₂）薄膜中观测到了面内磁场诱导的量子格里菲斯奇异性，验证了量子格里菲斯奇异性在二维超导体系相变中的普适性。此外，传统理论认为二维玻色体系的基态只能是超导态或是绝缘态，我们的研究结果给出了第三种基态——玻色反常金属态存在的强有力实验证据。通过使用高性能滤波器排除外界高频电磁噪声的影响，我们分别在分子束外延生长的PdTe₂薄膜和机械剥离的4Ha相二硒化钽（TaSe₂）薄层器件这两类二维超导材料中，观测到了本征反常金属态存在的实验特征，其表现为超导样品的电阻在极低温下并未变成零电阻，而是随着温度降低展现出饱和的特性。我们同样在单元胞层厚的铁硒（FeSe）高温超导薄膜以及孔洞阵列调控的高温超导钇钡铜氧（YBa₂Cu₃O_7–x）薄膜中观测到了反常金属态的出现，并观测到对应于双电子的量子振荡以及趋于零的霍尔电阻，揭示出反常金属态主要由库珀对主导，而非费米型准粒子。

二维超导态也可能与体系中的各种相互作用或有序态耦合交织，带来更为丰富的物相特征。在强关联体系无限层镍氧化物Nd_0.8Sr_0.2NiO₂超导薄膜中，我们观测到了多种有序态相互竞争导致的旋转对称性连续破缺的非常规超导态；在多类具有强塞曼自旋-轨道耦合的二维超导系统中，发现了面内临界磁场远超泡利极限的伊辛超导态，包括面内反演对称性破缺的二硒化铌（NbSe₂）薄膜、4Ha-TaSe₂薄层器件、非公度条纹相界面调控的超薄铅膜，以及具有面内反演对称性的PdTe₂薄膜（第二类伊辛超导）等。此外，通过界面工程或制备异质结，我们可以将超导体、绝缘体、半导体、常规金属、拓扑物质等材料结合，将界面效应或是非平庸的能带拓扑特性引入二维材料系统。基于此，我们在生长于钛酸锶（SrTiO₃）衬底上的单层FeSe薄膜界面实现了高温超导电性，其起始转变温度可达约54.5 K，远远高于FeSe块材样品的超导转变温度（约8 K）；在拓扑狄拉克半金属砷化镉（Cd₃As₂）与非超导金属针尖的界面，诱导出具有潜在拓扑特性的超导电性；在居里温度超过400 K的拓扑笼目磁体铽锰锡（TbMn₆Sn₆）与非超导金属异质结的界面，诱导出了能与铁磁性共存的二维界面超导态。我们希望借此述评，向广大研究者展示二维超导领域所涵盖的新奇物理现象和丰富物理规律，二维超导材料是研究量子相变行为、探索非常规超导物性与量子物态、构筑拓扑超导、理解高温超导电性、推动低功耗微纳电子器件应用的重要平台，未来蕴含无限契机。

2 AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

在二维超导材料中，由于维度的降低，体系的对称性自由度显著下降、涨落增强，这使得二维超导能够承载多种衍生有序态与非常规超导态，在多元的物理参量调控下，有望演化出丰富的物质态与量子相变，进而揭示出更为新奇的非常规超导现象、推进凝聚态物理的研究发展。此外，基于高质量的晶态二维薄膜可以构筑高温超导和拓扑超导材料体系，这为低维的小尺寸低功耗量子器件和拓扑量子计算的应用奠定了基础，有助于推动未来信息科学技术的变革。

3 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

二维超导领域方兴未艾，近年来我们见证了许多重要量子物态和非常规超导电性的发现，譬如玻色反常金属/奇异金属态、配对密度波态、伊辛超导、界面高温超导和拓扑超导、多电荷超导等，以及新奇量子相变的发现，例如量子格里菲斯奇异性，相关研究极大地开拓了凝聚态物理的前沿。未来，希望能有更多的研究学者加入该领域，针对研究前沿与核心物理问题，制备高质量二维单晶材料，构筑功能性异质结界面系统，扩展提升材料的调控方法与实验测量手段，在非常规超导、高温超导、拓扑超导等多个方向做出基础科学的革命性发现，实现电子器件设计与应用的技术性突破。

作者团队简介

●北京大学 博雅特聘教授 王健

王健，北京大学物理学院量子材料科学中心教授，教育部长江学者特聘教授。曾获国家基金委首批“优秀青年基金”，主持科技部首批青年科学家专题项目、国家重点研发计划项目，荣获马丁伍德爵士中国科学奖、教育部高等学校科学研究优秀成果青年科学奖、全球华人物理和天文学会亚洲成就奖等荣誉。长期从事低维超导与拓扑材料的量子输运实验研究，取得了一系列具有国际影响力的重要原创性成果，推动了相关领域的发展。代表性工作包括：在二维超导中发现新的量子相变——量子格里菲斯奇异性，并实验证实玻色型反常（量子）金属态；首次在铁基超导和低维超导中发现了超导序参量在空间周期性调制的本征配对密度波；在笼目超导体薄层环形器件中发现了由四个电子和六个电子相干形成的多电子超导态的实验证据；在拓扑材料中发现电阻随磁场对数周期振荡的规律，是量子振荡近90年历史上发现的第三种周期规律；发现非超导拓扑半金属与金属界面的衍生超导态以及二维高温超导薄膜中的马约拉纳零能模证据等。发表国际学术论文140多篇，以通讯作者或第一作者在Science、Nature、Nature Physics、Nature Materials、Nature Communications、Science Advances、PNAS、Phys. Rev. X、Phys. Rev. Lett.等期刊发表国际学术论文110多篇。

●北京大学 博雅博士后 季浩然

季浩然，北京大学物理学院博雅博士后。2024年于北京大学物理学院量子材料科学中心获得博士学位，师从王健教授。主要研究方向为低维及非常规超导材料的电输运性质研究。

●中国人民大学 副教授 刘易

刘易，中国人民大学物理学系副教授。2013年于北京大学物理学院获学士学位，2019年于北京大学物理学院量子材料科学中心获博士学位，同年入选北京大学博雅博士后，2021年加入中国人民大学物理学系。入选中国人民大学吴玉章青年学者，北京市科协青年人才托举工程，中国科协青年人才托举工程，教育部长江学者奖励计划青年学者。主持或参与国家自然科学基金面上项目，国家重点研发计划项目等。长期从事低维超导体系的制备与物性研究，发表SCI论文26篇，以通讯作者或第一作者在Science、Phys. Rev. X、Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.等国际学术期刊发表论文14篇。

●北京大学 博士研究生 冀成成

冀成成，于2022年9月在北京大学物理学院攻读博士学位，师从王健教授。主要研究方向为低维超导材料的电输运性质研究。

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Two-Dimensional and Interface Superconductivity in Crystalline Systems

Haoran Ji, Yi Liu, Chengcheng Ji, and Jian Wang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00017

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