张晨栋课题组π-电子磁性及与超导相互作用研究新成果

xiehui

10月29日，Physical Review Letters（《物理评论快报》）在线发表了我院张晨栋教授关于有机分子磁性/超导异质结的重要研究进展，论文题为“PTCDA Molecular Monolayer on Pb Thin Films: An Unusual π-Electron Kondo System and Its Interplay with a Quantum-Confined Superconductor”（《铅薄膜上的PTCDA单分子层：一种不寻常的π-电子近藤体系及其与量子受限超导体的相互作用》）。物理学院卢双赞博士为论文第一作者，张晨栋教授和美国得克萨斯大学奥斯汀校区Chih-Kang Shih教授为通讯作者, 武汉大学物理科学与技术学院为论文第一署名单位。

图：铅薄膜上PTCDA单分子层形成不同转角的莫尔超晶格；近藤共振峰和超导能隙内的束缚态展现出莫尔调制特征；PTCDA单分子层与厚度22/23 ML 铅超导薄膜杂化后对有效超导序参量的显著调控。

       磁性和超导这两种相互排斥的物理性质间近邻杂化会展现出多种新奇的量子现象。迄今为止，实验探索的超导-磁性体系中，其磁性主要来自过渡金属原子中未配对的d/f电子。与它们相比，π-电子具有更大的自旋关联长度和超精细的自旋-轨道耦合特征，表现出截然不同的行为。由此，π-电子构筑的磁性（条件苛刻，迄今只报告了极少的例子）吸引了人们极大的兴趣，实验上π-电子磁性还从未同超导体结合起来探究过。另外，对于π-电子磁性系统，当前缺乏有效调制磁偶极矩浓度、磁相互作用强度的方法，极大地限制了人们对π-电子磁性系统新奇物性的深入的探究。
        在该工作中，实验人员通过在超薄的超导铅薄膜上沉积有机分子PTCDA单分子层构筑出一种全新的磁性-超导杂化体系。虽然这两种材料都没有磁性，但杂化后PTCDA分子层因为界面电荷转移形成单占据的分子轨道存在净自旋磁矩。由于PTCDA分子膜中π-电子磁矩的非局域化特性，费米能级附近的近藤共振态和超导能隙内的束缚态都显示出完全不同于基于f/d-电子磁矩体系的电子行为，展现出二维关联的电子谱学特征。更有趣的是，PTCDA单分子层在铅薄膜上形成旋转角度可调的莫尔超晶格为探究近藤屏蔽-超导相互作用提供了难得的调制机会。另外，该工作发现不同原子厚度的铅薄膜自身的量子限域效应对界面电荷转移、偶极矩浓度和超导序参量等展现出意想不到的调制效应。
        该工作第一次将π-电子磁矩、低维超导体、近藤屏蔽、转角莫尔调制以及量子限域效应等元素的整合实现在一个简单系统里，提供了一个灵活调控的量子材料平台。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、中科院战略性先导科技专项的支持。
        文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.186805


       文章来源：武汉大学
       张晨栋，武汉大学物理科学与技术学院教授、博士生导师，2005年安徽大学物理系获得学士学位，2011年中国科学院物理研究所毕业获博士学位，毕业后于美国得科萨斯大学奥斯汀分校从事博士后研究。主要从事表面物理、低维量子体系如二维范德瓦尔斯材料方面的研究。