层状蛋糕二维超导性:在块状范德华超晶格中形成干净的二维超导性

铁和青铜时代来临以来,材料科学对人类产生了深远的历史影响目前,材料科学家对一类称为量子材料的材料很感兴趣,这种材料的电子或磁行为无法用经典物理学来解释。在量子材料领域的发现之后,人们进行了大量的研究以发现科学中的新物理学或量子信息在现在发表在《科学》上的新报告中,A。Devarakonda和哈佛大学麻省理工学院以及美国和日本Riken新兴物质科学中心的物理学小组报告了一种非常有趣的新型量子材料的合成。

Ba6Nb11S28的超导相图
Ba6Nb11S28的超导相图

该构造可以使物理学家研究迄今仍未知的模糊量子效应。在这项研究中,研究小组开发了包含过渡金属二硫化氢(TMD)超导体2H-二硫化铌(2H-NbS 2、2H相)的整体超晶格以产生增强的二维(2-D),高电子质量和清洁极限无机超导。

超导

假设超导可以在没有功率损耗的情况下实现高速应用,并有助于发展诸如悬浮特快列车的概念。研究人员目前可以使用在足够高的温度下超导的材料部分地实现这种应用,并使用二维材料简化问题,同时强调超导性背后的物理原理。早期的粒状铝(Al)和非晶态铋(Bi)薄膜实验工作通过精确控制超导层厚度显示了二维超导,后来被用于开创性研究中。其中包括Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)过渡;一个描述拓扑转换的早期示例,物理学家为此收到了2016年诺贝尔物理学奖

Ba6Nb11S28的量子振荡和电子结构
Ba6Nb11S28的量子振荡和电子结构
 

同时,科学家还研究了各向异性的体超导性,以了解二维超导情况下的超导状态,其中包括过渡金属二卤化物(TMD),即MX 2型原子薄半导体,其中M为过渡金属,X是硫族元素原子(元素周期表中的第16组元素)。材料工程领域的最新进展还显示了剥落范德华(vdW)分层材料的可能性,以使原子薄的二维超导体易于使用。但是,这种剥落薄片会降解,从而降低样品质量。Devarakonda等。因此使用了高质量的2H-NbS 2(2H-二硫化铌)单层,其清洁极限二维超导体表现出BKT(Berezinskii-Kosterlitz-Thouless)跃迁。然后,他们进一步合成了单晶材料。使用高质量的H-NbS 2单层和Ba 3 NbS 5阻挡层的Ba 6 Nb 11 S 28,其中TMD层牢固地解耦。

开发和表征层状蛋糕

Devarakonda等。因此,使所得材料(Ba 6 Nb 11 S 28)尽可能纯净,以研究二维超导的纯物理性质。在Ba 6 Nb 11 S 28中发现干净的二维超导性将为更好地理解与量子现象相关的二维超导性打开大门。该材料包含二维超导体NbS 2和电子无关的隔离Ba 3 NbS 5的交替层-非常像带有一层巧克力薄层的蛋糕(即NbS 2)放在较厚的蛋糕层(即间隔层)之间。分层保护了NbS 2层免于破裂或暴露于空气/湿气中,从而使二维超导电性更加清洁。该团队使用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)研究了所得结构。该材料显示出清洁极限的二维超导体,该超导体在T BKT = 0.82 K时具有BKT跃迁,并且具有明显的二维Shubnikov-de Haas(SdH)量子振荡;物质固有量子性质的宏观体现。

Ba6Nb11S28中的2D超导性和Pauli极限破坏。
Ba6Nb11S28中的2D超导性和Pauli极限破坏。

 

新量子材料的性质

 

使用传输测量,Devarakonda等。展示了材料的清洁度以及二维电子架构的进一步证据。结果与起始材料2H-NbS 2在质量上有所不同,后者在电子结构中保留了弯曲的椭圆形费米表面尽管尚未在2H-NbS 2中报道量子振荡,但研究小组注意到在2和3 Tesla之间的磁场中,Ba 6 Nb 11 S 28中出现了Shubnikov-de Haas(SdH)量子振荡,表明了量子迁移率。科学家分析了Ba 6 Nb的量子振荡和低场磁阻11 S 28,这将材料置于超导的干净极限内。
超导NbS2和Ba3NbS5间隔层的交替层允许NbS2中的高电子迁移率
超导NbS2和Ba3NbS5间隔层的交替层允许NbS2中的高电子迁移率

他们还记录了超导转变过程中材料的电流/电压特性。除了观察到的BKT跃迁外,这项工作还显示了具有增强稳定性的干净的二维超导状态,Devarakonda等人(2002)。归功于Ba 6 Nb 11 S 28中NbS 2的高纯度由于散装Ba 6 Nb 11 S 28由于材料已经显示了2D物理特性,因此研究小组最初提出了插入间隔层而不是制造先前工作中详述的剥离型纳米器件的现在已知的方法。该团队还指出了通过引入磁性成分来使间隔层功能化的范围。以此方式,Ba 6 Nb 11 S 28的大电子平均自由程(移动的粒子行进的平均距离)允许清洁极限超导潜在地实现非常规相,如单层超导体中所预测的

二维超导和Ba6Nb11S28
二维超导和Ba6Nb11S28
 

 

新量子材料的影响

材料的内在美仍然保留在异质结构的自然生长中,这就像在合成过程中自然分离的层状蛋糕一样。与手动添加每一层相比,这使合成过程的劳动强度大大降低。合成的容易性可以允许开发不同类型的层状材料,其中2-D层受到其环境的自然保护。除了超导体之外,该技术还可以产生不同类型的量子材料,包括适用于量子计算的拓扑绝缘体新发现为剥落纳米器件制造的现有过程提供了一种更简单的替代方法。A. Devarakonda及其同事设想将此策略扩展到此处详述的Ba 6 Nb 11 S 28以外的其他材料