北京大学王健教授团队：晶态材料中的二维与界面超导

北京大学王健教授团队在晶态材料二维与界面超导领域取得系列进展，文章介绍了高质量晶态二维超导材料和界面超导体系的研究进展，涵盖量子相变、衍生量子物态和非常规超导电性等方面。具体内容如下：一、研究背景超导研究历史：1911 年首次发现超导转变，1957 年 BCS 理论提出，给出超导电性微观机制。随着材料制备技术和实验手段进步，高质量晶态二维材料成为研究超导电性和超导相变重要平台。二维超导体特性：样品厚度小于超导库珀对相干长度，库珀对配对形成和相干凝聚可发生在不同温度。维度降低使热涨落和量子涨落效应增强，带来独特相变现象，且具有优异可调控性。二、研究主题及成果量子格里菲斯奇异性首次在三层金属镓薄膜中发现有效临界指数在趋近量子相变点时发散的行为，即量子格里菲斯奇异性，是超越传统超导 - 绝缘体和超导 - 金属相变理论框架的新奇量子相变行为。随后在超薄铅膜中观测到具有反常相边界的量子格里菲斯奇异性，在二碲化钯（PdTe2）薄膜中观测到面内磁场诱导的量子格里菲斯奇异性，验证其在二维超导体系相变中的普适性。反常金属态给出玻色反常金属态存在的强有力实验证据。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）薄层器件中，观测到本征反常金属态实验特征，表现为超导样品电阻在极低温下不为零，随温度降低饱和。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（YBa2Cu3O7–x）薄膜中观测到反常金属态，揭示其主要由库珀对主导，而非费米型准粒子。旋转对称性破缺超导：在强关联体系无限层镍氧化物 Nd0.8Sr0.2NiO2 超导薄膜中，观测到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。伊辛超导：在多类具有强塞曼自旋 - 轨道耦合的二维超导系统中，发现面内临界磁场远超泡利极限的伊辛超导态，如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。界面高温超导：在生长于钛酸锶（SrTiO3）衬底上的单层 FeSe 薄膜界面实现高温超导电性，起始转变温度可达约 54.5 K，远高于 FeSe 块材样品的超导转变温度（约 8 K）。界面诱导超导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，诱导出能与铁磁性共存的二维界面超导态。三、选择该领域的初心二维超导材料因维度降低，体系对称性自由度显著下降、涨落增强，能承载多种衍生有序态与非常规超导态，在多元物理参量调控下，有望演化出丰富物质态与量子相变，揭示新奇非常规超导现象，推进凝聚态物理研究发展。基于高质量晶态二维薄膜可构筑高温超导和拓扑超导材料体系，为低维小尺寸低功耗量子器件和拓扑量子计算应用奠定基础，推动未来信息科学技术变革。四、对该领域发展的愿景二维超导领域近年来有许多重要量子物态和非常规超导电性发现，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，以及新奇量子相变如量子格里菲斯奇异性的发现，开拓了凝聚态物理前沿。希望更多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革命性发现，实现电子器件设计与应用技术性突破。五、作者团队简介王健：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。获多项荣誉，主持多个项目。长期从事低维超导与拓扑材料的量子输运实验研究，取得一系列具有国际影响力的重要原创性成果，发表国际学术论文 140 多篇，以通讯作者或第一作者在多本期刊发表国际学术论文 110 多篇。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。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。入选多个人才项目，主持或参与多个项目。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多本国际学术期刊发表论文 14 篇。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。