上海交通大学贾金锋教授团队: 1T′-MoTe2/SrTiO3异质结中发现界面超导效应

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Citation

Interface-enhanced superconductivity in monolayer 1T′-MoTe2 on SrTiO3(001)

Bo Yang, Chenxiao Zhao, Bing Xia, Haiyang Ma, Hongyuan Chen, Jie Cai, Hao Yang, Xiaoxue Liu, Liang Liu, Dandan Guan, Shiyong Wang, Yaoyi Li, Canhua Liu, Hao Zheng & Jinfeng Jia*

Quantum Frontiers 2, 9 (2023)  

https://link.springer.com/article/10.1007/s44214-023-00034-0

研究背景

单层1T‘相的过渡金属硫族化合物(TMDs)是二维拓扑材料的有力候选者，其中 的拓扑性质已被输运和STM/STS实验所证实。近年来，在拓扑材料中引入超导性成为了人工合成拓扑超导体的主要手段。常规的办法有将拓扑材料和S波超导体构造成异质结，利用近邻效应引入超导性，或者利用门电压调控手段实现拓扑与超导的共存态。然而，这些手段产生的超导转变温度(  )通常处于几开尔文区间。界面效应是调控二维材料电子态的有效方法，利用界面电荷转移和电声子耦合可以大幅度提高，例如单层铁硒/钛酸锶( /  )体系，最高可展现超过体材料十倍的。因此，界面效应有望提升二维拓扑材料的超导性。

研究亮点

1. 利用分子束外延生长手段，在 衬底上实现了 薄膜的制备。

2. 对 薄膜进行STM/STS的原位表征，观测到了超导能隙，并改变温度和磁场大小，发现超导能隙特征信号逐渐变弱。

3. 通过电阻和磁化率表征实验，证实了 /  样品的 为30 K。

研究进展

上海交通大学物理与天文学院贾金锋教授团队在 (001)衬底上实现了一维  纳米线到二维 薄膜的热力学相变，利用STM证实了 薄膜中不同区域的界面耦合差异性，并且研究了薄膜中的畴向分布规律，相邻畴之间的角度差倾向于形成120度。在液氦温度下，利用dI/dV谱可以测得U型的超导能隙，大小为12毫电子伏特；进一步提高测量温度和磁场大小，可以发现超导谱信号随之减弱。在超高真空腔内盖上 保护层后，对 / /  样品进行电输运和磁性表征，实验结果显示样品的 为30 K， 相较于 体材料提升了两个数量级。他们的研究表明，界面效应可以显著地提升 薄膜的 ，为后续探究高温的拓扑超导体并寻找马约拉纳零能模提供了新的体系。

图文导读

图1.   在 (001)衬底上的外延生长。(a)  (001)表面的STM图像。(b)  衬底上  纳米线的STM图像。(c)  衬底上  纳米线和 岛的混合相的 STM图像。(d)  上单层 薄膜的STM图像。(e)  衬底及单层 薄膜的 RHEED图案对比图。(f)  衬底上单层 薄膜的原子结构示意图。

图2.  (001)衬底上单层 薄膜的STM/STS表征。(a)  薄膜的STM图像，右侧图显示了不同位置的台阶高度。(b)  薄膜中不同畴的条纹方向。(c) (b)图中畴的条纹方向统计图。(d) 相邻畴向相差120°的示例图。插图， 薄膜的原子分辨STM图像。(e) 在 薄膜上测量的隧穿谱。插图显示了较小偏压范围内的谱，水平条表示每条曲线的零电导位置。

图3.  /  异质结中的超导特性。(a) 在 薄膜上测量的隧穿谱，在4.2 K下测量的探零超导能隙（黑色圆圈）和Dynes模型拟合曲线（红色实线）。显著的相干峰出现在±5.8 mV。(b) 1号样品( /  /  )电阻的温度依赖性曲线，显示超导转变发生在30 K附近。(c) 在30 Oe平行磁场下测量的2号样品( /  /  ) 的M-T曲线，显示临界温度为30 K。(d) dI/dV谱的温度依赖性曲线以及相应的归一化ZBC。(e) dI/dV谱的磁场依赖性曲线以及相应的归一化ZBC。

作者简介

第一作者

杨波 博士研究生

上海交通大学物理与天文学院

通讯作者

贾金锋 教授

上海交通大学物理与天文学院

主要研究方向

• 拓扑绝缘体及拓扑超导，Majorana零能模及拓扑量子计算，界面超导，低维材料与物理。

主要研究成果

• 贾金锋教授长期致力于量子材料的研究，以量子材料的可控制备为基础，在新物性探索和性能调控方面取得了系统性的创新成果。共发表SCI文章300余篇，其中Science 5篇，Nature Mater. 3篇，Nature Phys. 3篇，Phys. Rev. Lett. 29篇，Adv. Mater. 6篇，APL/PRB 50多篇，综述文章3篇。文章被引用17000多次，入选2018-2021年“全球高被引学者”。实验证实超导态‘分段费米面’工作入选2022年度中国科学十大进展。

• 三次获得国家自然科学二等奖，获1996年国家教育委员会科技进步一等奖、2016年教育部自然科学奖一等奖及2017年教育部自然科学特等奖、2011年香港求是科技基金会“杰出科技成就集体奖”、2013年全球华人物理和天文学会“亚洲成就奖”等奖励。2021年入选中国科学院院士。

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往期回顾

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