NiTe2約瑟夫森結(jié)中的棱態(tài)超流(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2024-04-26

量子材料中存在的邊界態(tài)，包括三維拓?fù)洳牧现械亩S表面態(tài)、二維拓?fù)洳牧现械囊痪S邊緣態(tài)以及高階拓?fù)洳牧现械囊痪S棱態(tài)、角態(tài)等，一直以來(lái)都引人關(guān)注。最近發(fā)現(xiàn)的非常規(guī)阻塞（obstructed）原子材料因?yàn)閾碛凶枞吔鐟B(tài)而引起了廣泛的研究興趣，其阻塞態(tài)源于這類非常規(guī)材料的電子電荷中心與原子位置不重合。這些邊界態(tài)中的電子往往具有獨(dú)特的行為，如低耗散的輸運(yùn)、自旋動(dòng)量鎖定及自旋極化等。此外，探索這類邊界態(tài)中誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性對(duì)于研究拓?fù)涑瑢?dǎo)和非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)也具有重要的科學(xué)意義。在基于這類材料構(gòu)建的約瑟夫森結(jié)中，體態(tài)超流相比于邊界態(tài)往往更容易被破壞，也易遭受更多退相干因素的影響，因此其邊界態(tài)可存在更大的超流密度，對(duì)其中有效結(jié)區(qū)的超流密度分布的分析，可以為邊界態(tài)的存在提供重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室Q02/HX-Q02組屈凡明研究員、呂力研究員團(tuán)隊(duì)與HM-T03組王志俊研究員團(tuán)隊(duì)、電子科技大學(xué)劉富才教授團(tuán)隊(duì)等合作，在基于非常規(guī)金屬材料NiTe2的約瑟夫森結(jié)研究中觀測(cè)到邊界態(tài)超流信號(hào)，并發(fā)現(xiàn)通過(guò)施加平行于電流方向的磁場(chǎng)，可以快速抑制體態(tài)超流并保留邊界態(tài)超流，即磁場(chǎng)對(duì)超流的“過(guò)濾”效應(yīng)。進(jìn)一步的理論計(jì)算指出NiTe2中存在非常規(guī)的阻塞棱態(tài)，且理論預(yù)測(cè)的自旋綁定特性與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相呼應(yīng)，指向棱態(tài)超流的存在。

NiTe2是一種范德華層狀材料，研究團(tuán)隊(duì)利用膠帶解離方法得到薄層材料，通過(guò)沉積超導(dǎo)電極構(gòu)造了約瑟夫森結(jié)（圖1）。在常規(guī)的約瑟夫森結(jié)中，由于超流密度的均勻分布，臨界電流Ic隨著垂直磁場(chǎng)Bz的變化會(huì)表現(xiàn)出類似單縫衍射的夫瑯禾費(fèi)圖案，同時(shí)臨界超流會(huì)隨磁場(chǎng)迅速衰減。而在基于NiTe2的約瑟夫森結(jié)中卻出現(xiàn)了偏離夫瑯禾費(fèi)行為的超導(dǎo)干涉圖案（Superconducting interference pattern,SIP），臨界超流并未快速衰減（圖2a）。研究團(tuán)隊(duì)在分析其中的超流密度分布后發(fā)現(xiàn)樣品邊界存在較大的超流密度（圖2b）。更有意思的是，在逐漸增大磁場(chǎng)Bx時(shí)，Ic隨Bz的變化表現(xiàn)為類似超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）的圖案，這意味著超流主要在樣品的兩個(gè)邊界進(jìn)行傳輸（圖2c,d,e），即體態(tài)超流已被磁場(chǎng)Bx過(guò)濾（抑制）。隨后，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)在一些器件中，零面內(nèi)磁場(chǎng)時(shí)邊界態(tài)信號(hào)較弱甚至幾乎沒(méi)有（體態(tài)占主導(dǎo)），SIP表現(xiàn)為類夫瑯禾費(fèi)衍射；即使這樣，利用磁場(chǎng)Bx的過(guò)濾特性仍可以得到非常干凈的邊界態(tài)超流信號(hào)（圖3）。研究團(tuán)隊(duì)的理論計(jì)算結(jié)果表明NiTe2是一種存在阻塞棱態(tài)的非常規(guī)金屬，約瑟夫森結(jié)中的邊界態(tài)超流信號(hào)很可能來(lái)自棱態(tài)超流（圖4）。這種棱態(tài)上的電子存在自旋動(dòng)量鎖定，與實(shí)驗(yàn)上并未觀測(cè)到By方向磁場(chǎng)的過(guò)濾行為一致。這項(xiàng)研究不僅為研究棱態(tài)超流提供了新的材料平臺(tái)，還提出了一種利用磁場(chǎng)過(guò)濾獲得純凈邊界態(tài)超流的方法，為將來(lái)棱態(tài)超流在非常規(guī)超導(dǎo)、復(fù)合器件及其應(yīng)用的研究中提供了新的線索。

相關(guān)研究成果以“Magnetic field filtering of the boundary supercurrent in unconventional metal NiTe2-based Josephson junctions”為題發(fā)表在Nature Communications上，中國(guó)科學(xué)院物理研究所Q02/HX-Q02組博士后樂(lè)天（已出站）和HM-T03組博士生張銳涵為共同第一作者，Q02/HX-Q02組屈凡明研究員、呂力研究員、 HM-T03組王志俊研究員、電子科技大學(xué)劉富才教授為共同通訊作者。上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、科技創(chuàng)新2030―“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置和材料基因平臺(tái)等的資助。

相關(guān)工作鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47103-z

 

圖1.a.NiTe2納米薄片的電阻隨溫度和磁場(chǎng)的變化及其原子結(jié)構(gòu)圖；b.基于NiTe2的約瑟夫森結(jié)，藍(lán)色表示超導(dǎo)電極NbTiN，紅色表示NiTe2；c.NiTe2約瑟夫森結(jié)的I-V曲線，表明存在零電阻的約瑟夫森超流。

圖2.a.約瑟夫森電流隨磁場(chǎng)的變化，表現(xiàn)出偏離夫瑯禾費(fèi)行為的超導(dǎo)干涉圖案；b.通過(guò)a得到的結(jié)區(qū)超流密度分布圖；c和d.隨面內(nèi)磁場(chǎng)增加超導(dǎo)干涉圖案的變化；e.NiTe2約瑟夫森結(jié)中超導(dǎo)干涉圖案隨著磁場(chǎng)Bx的增加，從夫瑯禾費(fèi)圖案向SQUID圖案演化示意圖。

圖3.a和b.在NiTe2約瑟夫森結(jié)D2-1和D3-1中，邊界態(tài)超流成分較弱，體態(tài)占主導(dǎo)，在未加磁場(chǎng)Bx時(shí)測(cè)量到類夫瑯禾費(fèi)行為的超導(dǎo)干涉圖案；b和d.D2-1和D3-1施加磁場(chǎng)Bx時(shí)測(cè)量到的類SQUID圖案的超導(dǎo)干涉圖案，表明均可以通過(guò)的過(guò)濾效應(yīng)得到較純凈的邊界態(tài)超流。

 

圖4.a.理論計(jì)算的楞態(tài)能譜。b.自旋分布示意圖。