中科大、中山大学团队在约瑟夫森结(S/F/S)器件中首次证实长程超导电流

来源：中国科大新闻网

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心的向斌教授团队和中山大学王志副教授团队合作，通过构建范德瓦尔斯铁磁金属Fe3GeTe2(F)桥接两个单重态超导体NbSe2(S)，在该平面约瑟夫森结(S/F/S)器件中首次观察到长程超导电流，并且发现该长程超导电流呈现奇异的趋肤效应。
该成果以“Long-range skin Josephson supercurrent across a van der Waals ferromagnet”为题于2023年3月30日以Article形式在线发表在《Nature Communications》上。
铁磁性和超导性是两个相互抑制的宏观有序物性，以至于当单重态超导电流进入铁磁体会引发库伯对迅速退相干。但是近年来，人们在理论和实验上发现在超导体/铁磁体界面近邻诱导出的自旋三重态超导电流能够在铁磁体中无耗散输运很长距离，因此在新型无耗散量子器件的构建上更可取。
早期实验工作集中在构建耦合体为体相铁磁体的超导约瑟夫森结，实现对自旋三重态电流的观察以及自旋和电荷自由度的控制，但是基于二维范德瓦尔斯材料的异质结观察自旋三重态超导电流以及相关的界面性质研究却鲜有报道。
针对以上问题，研究团队利用范德瓦尔斯铁磁金属Fe3GeTe2桥接两个单重态范德华超导体NbSe2，构筑了一个平面范德华约瑟夫森结S/F/S器件。通过对不同通道长度的S/F/S器件低温电学测试，观察到器件显现出零电阻态以及长程约瑟夫森超导电流(~ 300 nm)。随着通道长度的增加，零温度超导临界电流大小呈现衰减趋势，并且在通道长度为450 nm的S/F/S中完全消失。
更有趣的实验结果是，该长程超导临界电流对垂直于超导电流通道的外加磁场的响应，呈现出类似双缝干涉的周期性震荡图案，而非传统的夫郎赫费周期性震荡条纹。这个结果证实S/F/S中存在不同于传统体相通道的约瑟夫森超导电流，而是具有长程趋肤效应的约瑟夫森超导电流。针对该长程超导电流的趋肤效应，研究团队提出了两种可能的竞争物理机制：
第一，由于Fe3GeTe2表面镜像对称破缺引起的Rashba自旋-轨道耦合效应，与铁磁性及NbSe2的s波超导性相互作用，可能导致Fe3GeTe2表面出现二维拓扑超导性；
第二，Fe3GeTe2中Fe原子的非共面结构引起的磁非均匀化，使得单重态库伯对通过自旋翻转和自旋混合在表面转化为自旋三重态，进而形成长程的约瑟夫森超导电流。

图示：S/F/S约瑟夫森结超电流密度的趋肤效应。(a)磁场沿z轴方向的S/F/S示意图。(b)3 K处通过约瑟夫森结的微分电阻图，显示双缝干涉模式。(c)对(b)中的数据进行反傅里叶变换得到的沿y轴超电流密度的分布。Fe3GeTe2层厚度为22 nm。(d)磁场沿y轴方向的S/F/S结示意图。(e)3 K处通过约瑟夫森结的微分电阻图，显示出混合的单缝和双缝干涉模式。(f)从(e)中数据的反傅里叶变换得到的沿z轴超电流密度的分布，表明超电流可以相对更均匀地沿x轴流过约瑟夫森结，但仍然在表面(现在是两个边缘)达到峰值。通道宽度w为2mm。
该平面异质结构的S/F/S设计，为探索铁磁性与超导性的相互作用，提供了一个新的研究视角。该异质结构呈现的新奇物性，为二维超导自旋电子学的新型量子功能器件的潜在应用以及实现拓扑超导提供了一个新的平台。
胡国静博士、王昌龙硕士生为本工作并列第一作者，中国科学技术大学向斌教授、中山大学王志副教授为该项成果的并列通讯作者，并与合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心的牛谦教授和张振宇教授进行了深入合作。
该工作得到了国家科技部2030科技创新“量子通信与量子计算机”项目的支持、合肥微尺度物质科学国家研究中心、合肥同步辐射国家实验室、先进光子科学技术安徽省实验室以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心等支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37603-9

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