北理工團隊和西湖大學合作在籠目材料超導二極管效應方面取得重大進展
發布日期：2024-05-16 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
2024年5月15日，北京理工大學物理學院王秩偉教授、姚裕貴教授團隊，與西湖大學林效教授、吳從軍教授團隊等人合作，在《自然》雜志上在線發表題為“Superconducting diode effect and interference patterns in kagome CsV3Sb5”的研究論文。首次在籠目晶格超導材料CsV3Sb5中觀察到了零磁場超導二極管效應和超導干涉條紋，在一定程度上證明了CsV3Sb5中超導態具有時間反演對稱性破缺的特征。
籠目晶格超導材料 A V3Sb5（A = K, Rb和Cs）體系有著豐富的物理性質，包括電荷密度波、配對密度波、向列超導電性、反常霍爾效應等等，這幾年受到了廣泛研究。王秩偉教授團隊這幾年一直從事籠目晶格超導材料的晶體生長、物性探測與調控、新型籠目晶格超導材料探索等研究，并取得一系列創新性成果，包括CsV3Sb5中發現手性電荷序[Phys. Rev. B, 104, 075148 (2021)]、向列電子相[Nat. Commun., 12 6727 (2021))]、旋轉對稱性破缺[Nat. Commun., 15, 2888 (2024)]、電荷密度波和超導電性的非常規競爭[Phys. Rev. X 12, 011001 (2022), Phys. Rev. B 105, L180507 (2022), Phys. Rev. Lett. 129. 206402 (2022), Nat. Commun. 14, 3819 (2023)]、無節點各向同性超導能隙[Nature, 617, 488 (2023)]等等。很多實驗跡象顯示 A V3Sb5是一種非常規超導體，而理論研究也顯示它可能蘊藏著一種超導能隙完全打開的手性超導態，然而這種手性超導態依然缺少實驗證據，比如相位敏感探測實驗。
在本工作中，王秩偉團隊提供的高質量CsV3Sb5單晶樣品，林效團隊通過機械剝離技術獲得薄層納米片，并進一步基于微納加工制備了用于極低溫電輸運測量的量子器件，吳從軍團隊提供了理論計算和模擬。在此研究中，作者首先觀察到了無磁場超導二極管效應，如圖1所示，這表明在自發時間反演對稱性破缺背景下存在動態超導有序疇。超導二極管效應是指超導材料在一個方向上允許更大的超導臨界電流通過，而在另一個方向上則有所抑制。這種效應在量子信息處理、量子計算和量子通信等領域具有潛在的應用價值。令人驚奇的是，在外加磁場的作用下，觀察到了超導臨界電流隨磁場變化的周期性振蕩現象，表現出雙縫超導干涉圖案，如圖2所示，表明了CsV3Sb5的內部可能還存在著超流形成的環路。圖案的特性通過熱循環進行調制。這些現象被認為是周期性調制的超電流沿著受磁通量子量子化約束的特定疇邊界流動的結果。這些研究結果在一定程度上證明CsV3Sb5具有時間反演對稱性破缺的超導態，為在這個籠目超導體系材料中探索Majorana零模等奇異物理提供了新的思路。
該工作得到了浙江省自然科學基金杰出青年項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目、新基石基金、北京市重點項目、中國博士后科學基金等項目的資助。
圖1. CsV3Sb5器件中的零場超導二極管效應。
圖2. 在1.4K低溫下測得CsV3Sb5中超導干涉條紋。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07431-y
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