复旦 Nano Lett.：磁场诱导Ta2PdS5纳米带重新进入超导状态

【背景】

在II-型超导体中，当磁场以磁通量线的形式穿透超导相时，会产生Abrikosov涡旋。当电流作用在超导体上时，洛伦兹力会使涡旋移动并引起能量耗散，从而导致零电阻状态的打破。人们通常认为，由于增大磁场会增加涡旋的数量，因此超导体的电阻应随磁场增大而单调增加，但是多年来却有一些实验发现电阻对磁场的存在着非单调性的依赖关系。一些理论如非微扰鞍点的猝灭效应的抑制，相移导致的临界电流增加等都被提出用来解释这种非单调依赖性关系。这些理论和实验结果为理解磁场和超导电性之间的相互作用开辟了道路。然而，涡旋行为在这些所测到的耗散和重新进入的无耗散的现象中所扮演的角色仍然是一个开放性问题。M₂Pd_xQ₅（M=Ta, Nb；Q=S, Se）是一种新型的过渡金属硫族化物超导体，具有典型的准一维（准1D）链结构，以及具有多种奇异的超导属性。Ta₂PdS₅是材料族M₂Pd_xQ₅的代表性成员。由于其晶体结构中的范德华间隙，其块材样品可以很容易地剥离成单晶纳米带样品，这些样品的宽度和厚度可与超导相干长度相当，为探索低维超导态的本征属性以及涡旋晶格和几何约束之间的微妙相互作用提供了很好的研究平台。

【成果简介】

近日，复旦大学修发贤教授（通讯作者）等人报道了在准一维（准1D）超导Ta₂PdS₅ 纳米带中观测到的超导重新进入行为。随着磁场强度的增大，Ta₂PdS₅纳米带的磁电阻先增大后减小到零，重新进入超导无耗散态。有趣的是，这种重新行为进入行为与温度、外加电流和磁场方向密切相关。作者利用含时Ginzburg-Landau（TDGL）方程模拟计算表明，这种重新进入行为是边缘势垒对涡旋运动抑制导致的。此外，作者的计算结果显示这种重新进入行为只发生在具有特定宽度的样品中，与实验的观测结果吻合地很好。该研究的结果表明：磁场和几何约束可以通过抑制涡旋运动引起的耗散过程来影响电子在超导体中的传输，揭示了处在磁场中的单晶超导纳米带中涡旋动力学和输运行为的内在联系，为理解磁场与超导电性之间的相互作用提供了新视野。研究成果以“Magnetic-Field-Induced Re-entrance of Superconductivity in Ta2PdS5 Nanostrips”为题发布在期刊Nano Letters上。

【图文导读】

图一、Ta₂PdS₅的晶体结构和表征
（a）Ta₂PdS₅的晶体结构；

（b）Ta₂PdS₅纳米带的TEM明场图像；

（c）从Ta₂PdS₅纳米带薄边缘沿[110]轴获取的原子分辨率ADF-STEM图像；

（d）Ta₂PdS₅四端法器件示意图。

图二、Ta₂PdS₅纳米带中的超导重新进入行为
（a）在不同面内磁场下，器件的随温度变化的归一化电阻R/R_N；

（b）小范围内器件的随温度变化的归一化电阻R/R_N，当磁场强度在0.5 T≤B≤1.875 T时，R/R_N-T曲线相互交叉；

（c）温度从1.9 K变为3.5 K时，器件的磁阻等温线；

（d）器件的小范围磁阻等温线，T=1.9 K时，在1 T≤B≤1. 5 T范围内，器件重新进入了超导态。

图三、在不同磁场方向和电流激励下的重新进入行为
（a）在T=2 K，I=35 μA时，器件的角度依赖的归一化电阻R/R_N；

（b）在对数坐标下，在不同电流激发下的器件的磁阻等温线；

（c）在T=2 K时，不同磁场下Ta₂PdS₅纳米带器件的电流-电压关系，当磁场处在0.5 T≤B≤1.875 T范围时，曲线出现相交的现象。

图四、Ta₂PdS₅纳米带重新进入超导行为的原理
（a）利用Ginzburg-Landau理论获得的w>ξ的超导带的相图示意图；

（b）不同磁场下，处在宽度为w的超导带中孤立涡旋的吉布斯自由能；

（c）涡流离开或进入条带的磁场依赖的最大势垒的示意图；

（d）通过TGDL方程计算的不同外加磁场和温度下超导电子在超导带中的分布。

图五、在不同温度和磁场条件下，Ta₂PdS₅纳米带电阻的理论计算
（a）i-vi描绘了在不同磁场和温度下的Ta₂PdS₅纳米带电阻随时间的演化；

（b）在T=0.75 T_CS时，不同宽度（6ξ₀到14ξ₀）超导带的磁场依赖的电阻，可以看到，重新进入行为只发生在超导带宽度处在9ξ₀≤w≤13ξ₀范围时。

【小结】

综上所述，作者发现了准1D超导Ta₂PdS₅纳米带中的超导重新进入行为。在低温下，随着磁场的增加样品磁阻先增加再降低并重新进入超导态。通过TDGL计算，作者揭示了其内在机制：随着磁场强度的增加，无耗散状态被破坏，并且由于涡流的进出超导纳米带开而产生了中间电阻状态。随着磁场强度的进一步增大，涡流的运动被边缘处的能垒增加所抑制，并且涡流变得完全静止，从而导致重新进入无耗散状态。此外。并且，作者通过模拟计算表明，这种重新进入行为仅在一定的宽度和激励电流下才会发生，与实验观测到的现象非常吻合。该研究揭示了涡旋动力学与单晶超导纳米带在磁场作用下的耗散传输之间的关系，为探索低维超导中的奇异物理现象提供了新途径。

文献链接：Magnetic-Field-Induced Re-entrance of Superconductivity in Ta₂PdS₅ Nanostrips（Nano Lett., 2020, DOI:10.1021/acs.nanolett.0c03655）

通讯作者/团队简介

修发贤， 复旦大学物理学系教授。课题组主要从事拓扑材料的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在新型低维原子晶体材料的器件方面主要研究其电学、磁学和光电特性。至今共发表论文120余篇，其中包括 Nature 1篇，Nature Materials 2篇，Nature Nanotechnology 2篇，Nature Communications 12篇。发表的第一或通讯作者文章多次被Science，Nature Nanotechnology, Nature Reviews Materials, NPG Asia Materials, Phys.org, Science Daily等专业杂志和媒体广泛报道。7篇第一或通讯作者文章被Web of Science 评为“ESI前1%高被引论文”。

本文由CQR编译。

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