導讀
近年來量子材料的概念逐漸走進大家的視野，量子材料顧名思義就是由于自身電子的量子特性而具有奇異物理特性的材料。從銅氧化物超導體到鐵基超導體，從石墨烯到拓撲絕緣體，越來越多的新材料不能被原來的自旋電子材料、強關聯體系所準確定義，而量子材料這一概念從本質上描述了這類材料的特性。
縱觀幾十年來材料科學的發展歷程，從1984年臺基于量子材料的超導量子干涉儀(SQUID)的誕生到現在人為設計、制備量子材料，由量子材料制造的工具正在不斷推動新型量子材料的研究和發展。從當初的SQUID到現在的完備測量領域“生態圈”，Quantum Design正是這一歷史發展的見證者和創造者。
正文
今天我們為大家介紹北京大學王健教授(Quantum Design用戶)課題組在人為設計二維超導材料方面的新研究進展。2018年4月Physical Review X報道了北京大學王健教授課題組的新發表的科研成果“Interface-Induced Zeeman-Protected Superconductivity in Ultrathin Crystalline Lead Films”。
眾所周知，在超導材料中電子并不是單存在而是以“庫珀對”的形式存在。對超導材料施加外磁場將會破壞“庫珀對”從而破壞材料的超導特性。在超薄二維超導材料中面內限磁場Bc通常由泡利限Bp所決定，但是近期研究發現一些特殊的機制可以阻止“庫珀對”被破壞，使得Bc可以超越Bp的限制。例如，在自旋三重態的超導體中“庫珀對”由自旋平行的電子對組成，因此限場可以超越泡利限。在無序二維超導薄膜中傳統型“庫珀對”對應的泡利限被自旋軌道散射取代，散射會破壞自旋朝向并減弱自旋順磁性。此外，內在的自旋軌道相互作用(SOI)也會提升Bc。由面外對稱性破缺導致的Rashba型SOI可以在面內產生自旋化提升限場，不過面內的限磁場Bc上限是√2Bp。在面內對稱性破缺的高質量二維超導材料中，例如單層NbSe2和MoS2，也觀察到了Bc遠超泡利限的現象，我們稱之伊辛超導特性。由于面內對稱的破缺在面外產生的自旋化我們稱為Zeeman型 SOI，這樣的二維超導材料面內限場Bc可以遠超泡利上限。但是大多二維超導材料都是面對稱的，并不能產生Zeeman型SOI。
圖1 文章中對材料在不同磁場和溫度下超導性質的測量
為了更加深入地研究塞曼保護超導性(Zeeman-protect Superconductivity)，王建教授課題組通過精密控制成功在Si(111)表面制備出面內帶狀對稱性破缺的超薄Pb薄膜，測量發現6層Pb薄膜面內限磁場Bc竟高達35.5T(大測量磁場)，遠超泡利限Bp=14.7T，并且作者從理論計算上解釋了新型薄膜中的超高Bc的機理。超高Bc材料的發現對于超導機理的研究和超導材料的應用都具有十分重要的意義，也推動了超導材料在強磁場和多種端環境下的使用。這一結果也預示著人們有望在二維超導體系中，通過界面調制發現新的非常規超導特性。
圖2 文章中分別對4、5、6層Pb薄膜在不同溫度下的限場進行的測量。
更多詳細內容請參考原文獻(DOI:10.1103/PhysRevX.8.021002)
在本項研究中作者利用Quantum Design公司生產的綜合物性測量系統PPMS和磁學測量系統MPMS對材料磁場下的電學性質以及磁學性質進行了精細測量，優質的測量數據也為理論計算和實驗對比提供了重要的幫助。作為綜合物性和磁學測量的設備生產商，Quantum Design見證了我國在量子材料領域的快速發展。Quantum Design公司在30多年的發展歷程中，從初的SQUID到現在的MPMS3和PPMS，助力越來越多的科研工作者利用Quantum Design的優質設備取得重要科研成果。
Quantum Design也根據用戶的需求不斷推出新的設備和功能，目前PPMS已經成為包含力、熱、光、電、低溫以及顯微學等功能的全面的測量系統。近Quantum Design推出了超全開放強磁場低溫光學研究平臺OptiCool，這是一套專門為低溫強磁場光學實驗所設計的系統。結合已有的MPMS和PPMS， Quantum Design現已形成了完整的測量 “生態圈”，成為量子材料研究領域為完備的測量體系。從量子設計到設計量子，Quantum Design 與時代共同前進。
圖3 Quantum Design公司設備：MPMS3、PPMS和OptiCool
在此，Quantum Design再次祝賀王健教授課題組取得重要成果，也祝愿廣大Quantum Design用戶科研順利!
