【聚焦“双一流”】物质科学与信息技术研究院单磊教授团队合作实现拓扑半金属碳化钨与普通金属界面超导

发布时间:2020-03-14

本网讯(物科院 施春霖)近日,物质科学与信息技术研究院单磊教授团队与中科院物理研究所陈根富研究员团队合作,在Phys. Rev. BAdv. Mater.上发文,报道了利用点接触技术和薄膜沉积的方法在三重简并拓扑半金属碳化钨(WC)表面诱导出超导电性的系列工作。

近年来,拓扑超导体因其在Majorana 费米子的研究和拓扑量子器件上的潜在应用受到了广泛的关注,然而,本征的拓扑超导材料非常罕见。近期的理论和实验研究表明:除本征的拓扑超导材料之外,拓扑绝缘体和拓扑半金属材料中拓扑非平庸的能带结构为实现拓扑超导电性提供了可能的途径。多数研究组尝试采用掺杂、高压或通过近邻效应等在拓扑绝缘体和拓扑半金属中实现拓扑超导。令人惊异的是:在20162017年,北京大学的王健研究组和印度科学教育研究院的G. Sheet研究组各自独立地利用点接触的方法在Cd3As2TaAs等拓扑材料上诱导出超导信号。这种通过普通金属针尖在拓扑材料上诱导超导的方法为探索拓扑超导提供了新的思路,但是一直以来,其内在机理仍不清楚,另外,这种方法诱导的超导电性仅局限在针尖附近。

研究团队首先利用点接触方法,使用普通金属(Au, PtIrW)针尖在一种硬度极大、性质稳定的拓扑半金属WC晶体上成功诱导出了转变温度最高接近12K的超导电性,并首次报道磁性金属(Fe, Co Ni)针尖能够实现与非磁性针尖相似的超导转变温度(Phys. Rev. B 2019)(参见图1)。在这一发现的推动下,团队利用磁控溅射在WC表面沉积了多种非磁性和磁性金属薄膜,然后在沉积的金属薄膜上用银胶制备了点接触结,同样观测到了超导电性(Adv. Mater. 2020)(参见图2)。以上实验表明拓扑材料与金属之间的耦合作用是超导出现的主要机制,排除了之前推测的针尖局部压力和尺寸限制效应等作为主要因素;使用磁性针尖或磁性薄膜同样能诱导出超导电性的事实,暗示该界面超导可能具有非常规的自旋三态配对的成分;另外,通过镀膜实现金属/拓扑材料界面超导的方法简便易行,将来可能适用于其它测量手段以及量子器件的制备,从而进一步了解界面超导的特性和产生的机制。

以上研究为探索拓扑超导和相关量子器件制备提供了新的思路,后续的工作仍在进行。上述研究工作分别发表于近期的Phys. Rev. B, 100, 235109 (2019)Adv. Mater. 1907970 (2020),物质科学与信息技术研究院单磊教授为文章的共同通讯作者。

1. 点接触针尖在WC晶体上诱导超导电性

2. 金属薄膜沉积在WC晶体上诱导超导电性


文章链接:

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.100.235109

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907970





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