近日，南京大學(xué)物理學(xué)院奚嘯翔課題組在二維超導(dǎo)體衍生反常金屬態(tài)的研究方面取得了重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)結(jié)合超導(dǎo)希格斯模譜學(xué)和低溫電輸運(yùn)技術(shù)，成功探測(cè)到原子薄層NbSe2中超導(dǎo)漲落的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，揭示了磁場(chǎng)誘導(dǎo)的反常金屬態(tài)中存在局域電子配對(duì)。
二維超導(dǎo)體由于受漲落效應(yīng)的影響，易于失去超導(dǎo)序，在某些體系中表現(xiàn)為一種反常金屬態(tài)，其特征是縱向電阻遠(yuǎn)小于正常態(tài)但保持有限值，且持續(xù)到零溫極限。該現(xiàn)象與局域化標(biāo)度理論中關(guān)于二維體系中不存在金屬基態(tài)的預(yù)言相悖，且其內(nèi)在機(jī)制一直未有定論。受限于二維超導(dǎo)體的樣品尺寸，現(xiàn)有關(guān)于反常金屬態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究主要依賴電輸運(yùn)測(cè)量。圍繞此問題，奚嘯翔課題組結(jié)合縱向電阻、霍爾電阻和拉曼光譜學(xué)手段，系統(tǒng)研究了層狀超導(dǎo)體NbSe2，發(fā)現(xiàn)反常金屬態(tài)源于二維條件下的脆弱超導(dǎo)性，其超導(dǎo)漲落在外加磁場(chǎng)下表現(xiàn)出意外的魯棒性。這一結(jié)果為理解反常金屬態(tài)的形成機(jī)理提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
圖1. (a)典型器件照片。(b) 不同厚度樣品縱向與霍爾電阻的磁場(chǎng)依賴。 (c) 雙層樣品的磁場(chǎng)-溫度相圖。
為揭示原子薄層NbSe2中反常金屬態(tài)的物理特性，團(tuán)隊(duì)通過電輸運(yùn)表征了不同厚度樣品對(duì)垂直磁場(chǎng)的響應(yīng)（圖1）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原子薄層樣品在磁場(chǎng)增大時(shí)先后經(jīng)歷超導(dǎo)態(tài)、反常金屬態(tài)、渦旋液體態(tài)和正常態(tài)的轉(zhuǎn)變。通過分析相應(yīng)的臨界場(chǎng)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了雙層NbSe2的磁場(chǎng)-溫度相圖。在反常金屬態(tài)區(qū)域，縱向電阻變?yōu)橛邢拗担魻栯娮铻榱?，表明其具有粒?空穴對(duì)稱性，源自局域庫珀對(duì)構(gòu)成的超導(dǎo)漲落。與此相對(duì)，塊體樣品中縱向電阻與霍爾電阻幾乎在同一場(chǎng)強(qiáng)下變?yōu)橛邢拗担砻鞑淮嬖诜闯＝饘賾B(tài)。
圖2. (a) 不同厚度樣品超導(dǎo)態(tài)的拉曼光譜。(b) 雙層及塊體樣品希格斯模譜權(quán)重與縱向電阻溫度依賴對(duì)比。(c) 雙層及塊體樣品希格斯模譜權(quán)重與縱向、霍爾電阻磁場(chǎng)依賴對(duì)比。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用拉曼光譜技術(shù)深入研究了該體系的超導(dǎo)希格斯模（圖2）。希格斯模是一種源自超導(dǎo)序參量幅值漲落的集體激發(fā)模式，可通過與電荷密度波振幅模的耦合而被賦予拉曼活性，是超導(dǎo)性質(zhì)的靈敏探針。實(shí)驗(yàn)首次確立了原子薄層NbSe2中的希格斯模，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其在反常金屬態(tài)對(duì)應(yīng)的整個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)存在，提供了超導(dǎo)漲落的譜學(xué)證據(jù)。令人驚訝的是，盡管原子薄層樣品的超導(dǎo)態(tài)更脆弱且臨界場(chǎng)更低，其希格斯模卻能維持到更高的約化磁場(chǎng)，展示了反常金屬態(tài)中超導(dǎo)漲落的魯棒性。這一結(jié)果為理解二維超導(dǎo)體中磁場(chǎng)誘導(dǎo)的反常金屬態(tài)提供了新視角。該工作中建立的希格斯模顯微譜學(xué)方法預(yù)期對(duì)于研究其他二維超導(dǎo)與電荷密度波共存體系具有普適意義。
該成果以“Unveiling Resilient Superconducting Fluctuations in Atomically Thin NbSe2 through Higgs Mode Spectroscopy”為題發(fā)表于《Physical Review Letters》。論文被選為“編輯推薦”，并在美國(guó)物理學(xué)會(huì)《Physics Magazine》上以“Strong Hints of a Bose Metal”為題進(jìn)行推介。南京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生杜煜、博士后劉敢與碩士畢業(yè)生阮偉為論文共同第一作者，奚嘯翔教授為論文通訊作者。南京大學(xué)李建新教授參與了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論，劉榮華教授協(xié)助了器件的制備。日本國(guó)立材料研究所Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe課題組提供了氮化硼晶體。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，以及南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心和江蘇省物理科學(xué)研究中心的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.066002
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