NiTe2約瑟夫森結中的棱態超流(圖文)

發布者：眺望科技                     發布日期：2024-04-26

量子材料中存在的邊界態，包括三維拓撲材料中的二維表面態、二維拓撲材料中的一維邊緣態以及高階拓撲材料中的一維棱態、角態等，一直以來都引人關注。最近發現的非常規阻塞（obstructed）原子材料因為擁有阻塞邊界態而引起了廣泛的研究興趣，其阻塞態源于這類非常規材料的電子電荷中心與原子位置不重合。這些邊界態中的電子往往具有獨特的行為，如低耗散的輸運、自旋動量鎖定及自旋極化等。此外，探索這類邊界態中誘導的超導電性對于研究拓撲超導和非常規超導態也具有重要的科學意義。在基于這類材料構建的約瑟夫森結中，體態超流相比于邊界態往往更容易被破壞，也易遭受更多退相干因素的影響，因此其邊界態可存在更大的超流密度，對其中有效結區的超流密度分布的分析，可以為邊界態的存在提供重要的實驗證據。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心固態量子信息與計算實驗室Q02/HX-Q02組屈凡明研究員、呂力研究員團隊與HM-T03組王志俊研究員團隊、電子科技大學劉富才教授團隊等合作，在基于非常規金屬材料NiTe2的約瑟夫森結研究中觀測到邊界態超流信號，并發現通過施加平行于電流方向的磁場，可以快速抑制體態超流并保留邊界態超流，即磁場對超流的“過濾”效應。進一步的理論計算指出NiTe2中存在非常規的阻塞棱態，且理論預測的自旋綁定特性與實驗數據相呼應，指向棱態超流的存在。

NiTe2是一種范德華層狀材料，研究團隊利用膠帶解離方法得到薄層材料，通過沉積超導電極構造了約瑟夫森結（圖1）。在常規的約瑟夫森結中，由于超流密度的均勻分布，臨界電流Ic隨著垂直磁場Bz的變化會表現出類似單縫衍射的夫瑯禾費圖案，同時臨界超流會隨磁場迅速衰減。而在基于NiTe2的約瑟夫森結中卻出現了偏離夫瑯禾費行為的超導干涉圖案（Superconducting interference pattern,SIP），臨界超流并未快速衰減（圖2a）。研究團隊在分析其中的超流密度分布后發現樣品邊界存在較大的超流密度（圖2b）。更有意思的是，在逐漸增大磁場Bx時，Ic隨Bz的變化表現為類似超導量子干涉器（SQUID）的圖案，這意味著超流主要在樣品的兩個邊界進行傳輸（圖2c,d,e），即體態超流已被磁場Bx過濾（抑制）。隨后，研究團隊還發現在一些器件中，零面內磁場時邊界態信號較弱甚至幾乎沒有（體態占主導），SIP表現為類夫瑯禾費衍射；即使這樣，利用磁場Bx的過濾特性仍可以得到非常干凈的邊界態超流信號（圖3）。研究團隊的理論計算結果表明NiTe2是一種存在阻塞棱態的非常規金屬，約瑟夫森結中的邊界態超流信號很可能來自棱態超流（圖4）。這種棱態上的電子存在自旋動量鎖定，與實驗上并未觀測到By方向磁場的過濾行為一致。這項研究不僅為研究棱態超流提供了新的材料平臺，還提出了一種利用磁場過濾獲得純凈邊界態超流的方法，為將來棱態超流在非常規超導、復合器件及其應用的研究中提供了新的線索。

相關研究成果以“Magnetic field filtering of the boundary supercurrent in unconventional metal NiTe2-based Josephson junctions”為題發表在Nature Communications上，中國科學院物理研究所Q02/HX-Q02組博士后樂天（已出站）和HM-T03組博士生張銳涵為共同第一作者，Q02/HX-Q02組屈凡明研究員、呂力研究員、 HM-T03組王志俊研究員、電子科技大學劉富才教授為共同通訊作者。上述工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金委、中國科學院先導專項、科技創新2030―“量子通信與量子計算機”重大項目、綜合極端條件實驗裝置和材料基因平臺等的資助。

相關工作鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47103-z

 

圖1.a.NiTe2納米薄片的電阻隨溫度和磁場的變化及其原子結構圖；b.基于NiTe2的約瑟夫森結，藍色表示超導電極NbTiN，紅色表示NiTe2；c.NiTe2約瑟夫森結的I-V曲線，表明存在零電阻的約瑟夫森超流。

圖2.a.約瑟夫森電流隨磁場的變化，表現出偏離夫瑯禾費行為的超導干涉圖案；b.通過a得到的結區超流密度分布圖；c和d.隨面內磁場增加超導干涉圖案的變化；e.NiTe2約瑟夫森結中超導干涉圖案隨著磁場Bx的增加，從夫瑯禾費圖案向SQUID圖案演化示意圖。

圖3.a和b.在NiTe2約瑟夫森結D2-1和D3-1中，邊界態超流成分較弱，體態占主導，在未加磁場Bx時測量到類夫瑯禾費行為的超導干涉圖案；b和d.D2-1和D3-1施加磁場Bx時測量到的類SQUID圖案的超導干涉圖案，表明均可以通過的過濾效應得到較純凈的邊界態超流。

 

圖4.a.理論計算的楞態能譜。b.自旋分布示意圖。