磁成像揭示了二维超导体的关键特性

离子门控MoS的磁测量 2． 一片MoS 2(紫色显示)在SiO上 2/Si衬底被图案化成圆盘状，并被自旋涂层离子凝胶覆盖。SQUID拾取回路(以银色显示)与同心场线圈(以深灰色显示)接近样品。磁场线圈中的电流产生磁场，磁场在超导体中产生相反的屏蔽电流。筛选电流的强度由拾取回路磁检测。b器件A的光学图像，直径为20 μm的圆形MoS 2带电触点的装置(蓝色)。标尺尺寸为10 μm。c图b所示器件在4k时的磁响应图像。白色虚线圈的直径为20 μm，表示设备周长。来源: 自然通讯(2023)。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 37210 - 8

利用最先进的磁成像技术，康奈尔大学领导的合作首次表征了一类原子薄材料的超导状态的关键特性，这种材料由于其微小的尺寸而难以测量。

该小组的论文《原子薄栅极调谐范德华超导体的超流体响应》发表在4月12日的《自然通讯》上。第一作者是博士生Alexander Jarjour。

该项目由Katja Nowack领导，她是艺术与科学学院的物理学助理教授，也是这篇论文的资深作者，她的实验室通过一系列扫描探针研究量子材料中的紧急现象和秩序。该小组的超导量子干涉装置(SQUID)特别擅长在低温和小磁场下工作。

研究人员将他们的squid(美国仅有的几种squid之一)应用于无机化合物二硫化钼，这种化合物被称为范德华材料。虽然化学键通常被认为是凝聚态物理中的超级胶水，但原子也可以通过范德华力的电极化结合在一起，这种力相对较弱，但有自己独特的优势。范德华材料，如石墨烯，可以剥离，并将其薄片组装成原子薄层。

“范德华材料的美妙之处在于，有大量不同类型的物理系统，比如超导体和拓扑绝缘体，你可以在这些非常薄的微米级薄片中制造出来，”Jarjour说。“不好的部分是，在过去的几十年里，人们发明了分析工具，试图了解大块材料内部发生了什么，而这些工具或多或少毫无例外地不适用于范德华材料，因为它们太薄，太小了。”

探测范德华超导体的典型方法是通过测量电输运，这可以显示当达到临界温度时已经发生了相变到零电阻。但在那之后，根据Nowack的说法，“基本上，你就变成了瞎子”，因为这种方法没有提供任何信息，告诉你有多少电子参与了超导状态，以及以什么方式参与了超导状态。

该团队改进了这种方法，用一层微米厚的离子液体自旋涂覆他们的SQUID，并将其尽可能靠近易碎的样品而不损坏它。

SQUID显示该材料正在驱逐设备的磁场。

Jarjour说:“看到磁场驱逐，加上非常低的电阻，是一个非常清楚的信号，表明某种东西是超导体。”“我们为发现新的范德华超导体并真正想要证明它是超导体的人设定了一个新的里程碑。”

同样重要的是，驱逐提供了范德华材料中电输运的新信息。

Jarjour说:“超导体驱逐磁场的能力给我们提供了有多少电子参与其中的信息。”“我们第一次在原子级薄的范德华超导体中测量了这一点，我们发现实际上有很多电子没有参与超导状态。根据数据，我们认为我们有一个合理的案例，这是因为这些样本中存在电子紊乱。”

研究结果还表明，2D超导体与体积较大的3D超导体有何不同。在一些设备中，研究人员观察到二维材料特有的berezinski - kosterlitz - thouless相变的特征，而在其他设备中，他们发现了扩展的超流体响应。

诺瓦克说:“我很兴奋，我们现在可以使用这个工具，并将其应用于这一大类真正迷人的超导体，这是凝聚态物理学中实现非凡超导现象的丰富场所。”

合著者包括博士生g.m. Ferguson;布莱恩Schaefer;前博士后研究员李孟英;北达科他大学的Yen Lee Loh;以及俄亥俄州立大学的南迪尼·特里维迪。

更多信息:Alexander Jarjour等，原子薄栅极调谐范德华超导体的超流体响应，Nature Communications(2023)。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 37210 - 8

期刊信息:自然通讯