电子科技大学熊杰、王显福、杨超Adv. Mater.:二维超导体的最新进展

【引言】

自从1911年在超导转变温度Tc为4.15 K的水银中发现超导性以来，这种现象以其引人瞩目的物理原理和令人兴奋的商业应用而引起了人们的广泛关注。 40年后，1957年提出了著名的BCS理论来解释超导性，它涉及由电子-声子相互作用感应的电子之间的配对，并从那时起已成功地用于理解各种超导体的本质。为了最终实现超导体的广泛应用，Tc必须至少高于液氮的沸点，但作为BCS理论核心的“库珀对”仅能够在极低的温度下才能存在。科学家们在随后的三十年中不断尝试提高超导转变温度，但并没有取得实质性进展。然而， 1986年人们在意外地在铜基超导体中发现了高温超导特性，并且其超导转变温度Tc在短短两年内被提高至135K，但是高温超导特性并不能够被传统BCS理论所解释。相对于块体超导体，二维体系具有更多的可调控自由度，由此可以发现二维极限内的新奇物理现象。因此随着近年来微纳加工及高质量二维体系的不断发展，研究人员开始关注于探究二维体系中的超导特性。

【成果简介】

       电子科技大学熊杰、王显福、杨超介绍了二维超导体的最新进展，论文第一作者为邱东。文章将2D超导体分为两类：可以用BCS理论解释的超导体（BCS超导体）和不能用BCS理论解释的超导体（非常规超导体）。在第2节和第3节中，作者分别讨论了常规BCS超导体（TMD薄层，金属薄层等）和高温超导体（铜基、铁基）的超导性。文章回顾了不同材料的超导性能，总结了不同调控因素对超导的影响，以进一步揭示其物理机制。在第4节中，作者将对摩尔超晶格超导性的探究分为两个方面：电子之间的相互作用（e-e相互作用）和电子与声子之间的相互作用（e-ph相互作用）。通过这两个方面对相关的表征和理论进行了总结及讨论。

由于具有各种特性的BCS超导体家族众多，文章在第5节中重点介绍对缺陷/外磁场抵抗力强的超导体，其中主要包括2D拓扑超导体和伊辛超导体。最后，文章对2D超导体的未来挑战提出了自己的看法。该成果以题为“Recent Advances in 2D Superconductors”发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.二维超导体类别的示意图

Figure 2.TMD薄层中Tc与厚度的关系

a）NbSe2和TaS2中Tc的厚度依赖性； b）降低厚度时，MoS2中的Tc和Bc的变化关系；c）不同方法制备的NbSe2超薄薄膜之间的比较； d）NbSe2中的Tc和超导带隙与厚度倒数的关系；

Figure 3.TMD薄层相图

a）不同电子相的相图与几层MoS2的载流子密度n_2D的关系 b）在单层NbSe2的STM图像中显示了3×3 CDW c）电子掺杂下的TiSe2相图（d-e）具有随机分布的硅原子（d）和NbSe2-xSx（x=0.31）单层（e）的NbSe2单层的STM图像（d-e）的右边部分：超导性能是Si原子密度（d）和S原子密度（e）的函数 f）Tc与厚度的相图

Figure 4.二维超导体中的量子金属态和量子格里菲斯奇点

a）Ga膜的R（T）曲线随厚度的演变 b）纳米图案YBCO薄膜中异常金属态薄膜的Arrhenius图 c）以AAO为模板刻蚀的纳米孔YBCO膜的SEM图像 d）周期纳米孔YBCO膜的电阻温度依赖性 e）YBCO薄膜中的h/2e磁导量子振荡表明了量子金属态的玻色性质 f）对数尺度上所有纳米孔YBCO膜的振荡幅度与温度的关系 g-h）三层Ga膜和4 ML Pb/SIC Si中二维淬火无序的二维超导体-金属跃迁的B–T相图（h）

Figure 5.1 UC FeSe/STO的表征

a）β-FeSe晶格结构示意图； b）1UC FeSe/STO上的STS显示具有四个显着相干峰的超导间隙分别出现在±20.1和±9 mV处； c）通过线性拟合IV曲线获得的电阻的温度依赖性，显示出高于100 K的超高Tc； d）FeSe/STO STM形貌； e）由APRES在20 K下测得的1UC FeSe/STO的费米表面映射，它仅由BZ角M（π，π）周围的电子状费米表面薄片（γ）组成 f）沿着布里渊区Г点（左）和M点（右）方向的能带结构，显示出空穴状带和电子状带

Figure 6.调制的FeSe/STO的表征

a）1UC膜在Г点和M点处的光谱b）复制带的温度依赖性 c-d）生长，STO生长和块状FeSe的TiO2的大能级dI/dV光谱比较 e）通过改变不同FeSe膜厚度的电子掺杂水平来形成电子相图 f）FeSe的示意性相图

Figure 7.二维铜基超导体的表征

a）Bi-2212结构示意图； b）原子薄Bi-2212的形态表征；c）单层Bi-2212的随温度变化的电阻率； d）单层Bi-2212的电子性能，观察到的Tc显示出与本体的偏离被忽略； e）外部电场在2D铜基超导体中调谐的超导体-绝缘体转变（SIT）

Figure 8.调制下TBG的能带结构和相位图

a）在超晶格的第一个迷你布里渊区中，θ= 1.05°时TBG的能带E和DOS； b）将门调谐的魔术角TBG中的相和其他相的电导降低 c）相对于载流子密度和温度的纵向电阻的相图，其中相包括金属，带状绝缘体（BI）、相关态（CS）和超导态（SC）； d）在归一化的微分电导谱中，在不同的栅极电压下，VHS的重建，其中黑色虚线表示费米能级 e）分别在（iii）中的橙色和蓝色箭头处获得的设备电导（i）和电阻（ii） f）三种屏蔽控制的TBG设备的电阻率ρxx相对于莫尔带填充因子ν和温度T的相图

Figure 9.除魔角石墨烯之外的莫尔超晶格

a）扭转角为θ的TDBG的示意图 b）半填充绝缘子周围的电阻率图 c）左：在1.33°器件中电阻率Rxx与温度T和载流子密度n的色标图。 右：电阻率与温度T和载流子密度n的关系 d）无扭曲的ABC-TLG/hBN莫尔条纹超晶格示意图 e）电阻作为顶栅（Vt）和底栅（Vb）电压的函数的色线图，其中色标在对数标度上从10Ω（暗）到100kΩ（亮） f）右：取决于载波密度的相位图。 左：电阻率对温度T的依赖性，插图：在相同条件下测得的dVxx/dI曲线 g）双绞线WSe2器件示意图 h）在T = 1.8 K处测得的电阻率图分别作为Vtg和Vbg的函数 i）右：与载波密度有关的相位图。 左：RT曲线

Figure 10.拓扑超导系统中Majorana零能模的表征

a）Bi2Se3膜的表面状态（SS）表示拓扑表面状态和超导电性并存； b）在NbSe2衬底上生长的Bi2Se3薄膜的形貌； c）在5 QL Bi2Te3/NbSe2上由零偏dI/dV映射的涡旋； d）在涡旋中心测得的dI/dV频谱中出现一个尖锐的零偏峰，并迅速衰减而远离涡旋； e）从Bi2Te3/NbSe2样品测得的系列dI/dV曲线 f-g）线切割显示了在代表性相位差下隧道探针上的差分电导曲线与偏置电压的函数关系，在整数周期间隔的重复线上取平均值； h）单层WTe2电子基态的温度-密度相示意图

Figure 11.增强面内临界场的二维超导体

a）增强Bc的可能机制； b）表示面内Rashba型自旋极化和面外Zeeman型自旋极化的示意图； c）三层锡的面内临界场的温度依赖性； d）离子门控MoS2中平面内和平面外上临界场与温度的关系 ；e）原子薄NbSe2的Hc–T超导相图； f）6 ML Pb/Si的Bc增强的实验证据

【小结】

2D材料中超导性的出现已引起人们的广泛关注，近年来，由于二维体系中蕴藏着丰富的新奇物理现象，越来越多的研究人员开始探索该领域。人们尝试去探索不同的可调控自由度，以找出特殊超导现象背后的机制，包括调节样品的厚度、制造异质结构、通过电场和化学掺杂来调整载流子密度等。文章介绍了具有独特特性的不同类型的2D超导，包括超薄膜中的常规BCS超导，铁基和铜基等高温超导体，新发现的摩尔超晶格中的非常规超导等。这篇综述有利于增进研究人员对新近研发的2D超导性清晰而全面的理解，并进一步促进该领域的发展。

文献链接：Recent Advances in 2D Superconductors, Adv. Mater., 2021, DOI:10.1002/adma.202006124

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。