中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
SC10組供稿
第31期
2020年04月27日
拓撲半金屬WC表面沉積金屬薄膜誘導的界面超導

  長期以來,拓撲超導體因其在Majorana 費米子的研究和拓撲量子器件上的潛在應用受到了廣泛的關注。然而,本征的拓撲超導材料非常罕見。近年來,理論和實驗研究表明:除本征的拓撲超導材料之外,利用拓撲絕緣體和拓撲半金屬材料拓撲非平庸的能帶結構為實現拓撲超導電性提供了可能的途徑。多數研究組采用摻雜、高壓或通過近鄰效應等在拓撲絕緣體和拓撲半金屬中誘導出可能的拓撲超導。在2016和2017年,北京大學的王健研究組和印度科學教育研究院的Goutam Sheet研究組獨立地利用點接觸的方法在Cd3As2和TaAs等拓撲材料上誘導出超導信號。這種通過金屬針尖誘導超導的方法為在拓撲材料中實現超導提供了新的思路,但是,其內在機理仍不清楚,另一方面,這種方法誘導的超導電性僅局限在針尖附近。
  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室SC10組長期致力于各種新型拓撲、超導等材料的制備和探索;安徽大學物質科學與信息技術研究院單磊教授(原物理所研究員)團隊專注于超導以及拓撲材料的點接觸和掃描隧道譜研究。近年來,兩個團隊密切合作、聯合攻關,嘗試在多種拓撲材料中實現超導。陳根富研究員指導的博士后何俊寶、博士生陳棟(已畢業)等成功生長出了在費米面附近具有三重簡并點的拓撲半金屬碳化鎢晶體(Phys. Rev. B 95, 195165 (2017))。研究團隊利用點接觸方法,使用普通金屬針尖甚至是磁性金屬針尖在WC上成功誘導出了超導電性。為了進一步理解實驗中金屬針尖的作用,團隊成員SC10組博士生朱文亮、博士后侯興元、博士生李婧(已畢業)等同學在兩位老師的指導下采用磁控濺射的鍍膜方法在WC表面沉積了多種非磁性和磁性金屬薄膜,然后在沉積的金屬薄膜上用銀膠制備了點接觸結,觀測到了標志超導電性的安德列夫反射譜。實驗完全排除了針尖局部壓力和尺寸限制效應等因素,表明拓撲材料與金屬之間的耦合作用是超導出現的主要機制。而且,使用磁性針尖或磁性薄膜誘導出超導暗示該界面超導可能具有自旋三態配對的成分。另外,通過鍍膜實現金屬/拓撲材料界面超導的方法簡便易行,將來可能適用于其它測量手段,從而進一步了解超導的特性和產生的機制。
  以上工作為探索拓撲超導和相關量子器件制備提供了新的思路。相關工作分別發表于近期的Phys. Rev. B 100, 235109 2019)和Adv. Mater. 32, 1907970 (2020)。中國科學院物理研究所超導國家重點實驗室的陳根富研究員和安徽大學物質科學與信息技術研究院的單磊教授為文章的共同通訊作者,物理研究所博士研究生朱文亮、博士后侯興元、博士生李婧為共同第一作者,參與該工作合作研究的還包括物理所胡江平研究員、楊槐馨研究員、任治安研究員等。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院前沿重點項目和安徽省領軍人才引進計劃的資助。
[1] W. L. Zhu, X. Y. Hou, J. Li, Y. F. Huang, S. Zhang, J. B. He, D. Chen, Y. Y. Wang, Q. X. Dong, M. D. Zhang, H. X. Yang, Z. A. Ren, J. P. Hu, L. Shan, G. F. Chen, Adv. Mater. 2020, 32, 1907970.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201907970
[2] X. Y. Hou, Z. Wang, Y. D. Gu, J. B. He, D. Chen, W. L. Zhu, M. D. Zhang, F. Zhang, Y. F. Xu, S. Zhang, H. X. Yang, Z. A. Ren, H. M. Weng, N. Hao, W. G. Lv, J. P. Hu, G. F. Chen, L. Shan, Phys. Rev. B 2019, 100, 235109.
https://journals.aps.org/prb/pdf/10.1103/PhysRevB.100.235109

圖1. 非磁性金屬膜在WC單晶上誘導的超導的軟接觸譜證據。(a)在WC樣品上軟接觸電導譜測試的示意圖。(b)和(c)分別為不同溫度下金屬Pt和Au覆蓋的WC單晶上的軟接觸譜。(d)從圖c獲得的臨界電流和溫度的關系。(e)磁場和零偏壓電阻的依賴關系。(f)從圖e獲得的上臨界場和溫度的相圖。
圖2. 磁性金屬膜在WC單晶上誘導的超導的軟接觸譜證據。(a)磁性金屬Co覆蓋的WC單晶上不同結(J1-J5)的軟接觸譜。(b)J4在零場下歸一化的點接觸譜與溫度的關系。(c)J4在2 K下歸一化的點接觸譜與磁場的關系。