修发贤课题组 在准一维超导体研究中取得重要进展

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近日，复旦大学物理学系教授修发贤课题组在准一维超导体Ta2PdS5纳米线的研究中取得重要进展。11月7日，相关研究成果以《层状准一维超导体中的量子格里菲斯奇异性证据》(“Signature
of quantum Griffiths singularity state in a layered quasi-one-dimensional superconductor”)为题在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-018-07123-y)。

格里菲斯奇异性最早由美国物理学家格里菲斯（Griffiths）在1969年提出，具体指的是在相变中标度不变性被打破，临界指数呈发散趋势而不再保持为常数的行为。而量子格里菲斯奇异性则是指系统在零温下发生的量子相变中具有格里菲斯奇异性。理论上，格里菲斯奇异性并未指定只发生在某一特定维度。从理论提出至今的几十年来，实验科学家只在少数三维铁磁体系和二维超导体系如镓薄膜中观察到了相变中的临界指数发散现象，而格里菲斯奇异态是否存在于更低维度的体系中还一直未有实验证实。

为了寻找更低维体系中的量子格里菲斯奇异性，修发贤课题组研究了新型准一维超导体Ta2PdS5。由于其独特的晶体结构，块材的Ta2PdS5晶体可以利用胶带机械剥离法制备成厚度70-300纳米，宽度0.1-2微米的长条状纳米线。有趣的是，通过输运测量发现，与块材中不同的是，纳米尺度Ta2PdS5中的超导具有准一维超导的属性。如器件的I-V关系曲线具有多个跳跃和回滞，器件的临界电流随温度变化符合准一维的Bardeen公式等特征。课题组通过进一步对Ta2PdS5的超导穿透深度等多个方面的研究，证实了Ta2PdS5纳米线中的超导的确具备准一维特性。

基于Ta2PdS5纳米线中的准一维超导，课题组研究了Ta2PdS5纳米线在极低温下的超导-金属量子相变。研究发现在超导-金属量子相变临界点附近其相邻温度等温磁阻曲线的交点在相图上是一条连续的线而并非如一般超导-金属相变那样交于同一临界点,交点处的磁场随着温度改变而变化而并非是同一个值；通过进一步对样品磁阻的有限尺寸标度分析发现，在接近量子相变临界点时,体系中的动力学临界指数在逼近绝对零度或临界磁场时并非为一常数而是表现出发散的行为。这些特性都是量子格里菲斯奇异性的直接有力证据。

该项研究成果首次将量子格里菲斯奇异性扩展到了准一维超导体系中，对于深入理解量子相变临界点附近的无序涨落和准一维超导具有重要意义；同时，新型准一维超导Ta2PdS5纳米线在研究中所展现出的独特的物理属性也表明其在量子计算器件方面具有相当广阔的应用前景。

该工作由复旦大学物理学系修发贤课题组，北京大学徐洪起、康宁课题组，南京大学何亮课题组，澳大利亚昆士兰大学邹进课题组，美国杜兰大学毛志强课题组合作完成。工作获得了复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室、国家重点研发计划、基金委优秀青年基金和面上项目的大力支持与资助。论文的第一单位为复旦大学物理学系，复旦大学物理学系教授修发贤为通讯作者，修发贤课题组博士生张恩泽为第一作者。

修发贤课题组主要从事拓扑材料的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在新型低维原子晶体材料的器件方面主要研究其电学、磁学和光电特性。

yuandan963

量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一，但以往对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系。近日，复旦大学物理学系修发贤课题组首先实现重大突破，在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了从二维到三维的关键一步。相关研究成果今天凌晨以《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》为题在线发表于《自然》（Nature）。修发贤为通讯作者，复旦大学物理学系博士生张成，复旦校友、康奈尔大学博士后张亿和复旦大学物理学系博士生袁翔为共同第一作者。

130多年前，美国物理学家霍尔就发现，对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将发生偏转，在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”。如果将电子限制在二维平面内，在强大的磁场作用下，电子的运动可以在导体边缘做一维运动，变得“讲规则”“守秩序”。但以往的实验证明，量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。

“我们在砷化镉纳米片中看到这一现象时，非常震惊，三维体系里边怎么会出现量子霍尔效应？”2016年10月，修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应，就像目睹汽车飞到空中那样又惊又喜。随后日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到这一效应，但实际的电子运动机制并不明确。

修发贤课题组提出了他们的猜想：一种可能的方式是从上表面到下表面的体态穿越，电子做了垂直运动；另一种可能是电子在上下两个表面，即在两个二维体系中，分别独立形成了量子霍尔效应。课题组决定打破砂锅问到底。面对千分之一根头发丝大小的实验材料，快如闪电的电子运动速度，实验该怎么做？他们创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化。通过测量量子霍尔平台出现的磁场，可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现，电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明，随着样品厚度的变化，电子的运动时间也在变。电子的隧穿行为由此得到证明，三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开。

“电子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一个四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半个闭环，这个隧穿行为也是无耗散的，所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说，整个轨道就是三维的“外尔轨道”，是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。

据悉，该研究的难点在于材料的制备和器件的测量。材料必须能够精确的控制厚度，有很高迁移率。课题组经过5年摸索才达到厚度的可控性（50-100nm),迁移率达到10万。其次，材料测量必须在零下270多度的低温和相当于地磁场百万倍的三十多特斯拉强磁场等极端条件下进行，既精细又艰苦。

在拓扑半金属领域，修发贤课题组一直坚持做基础性、原创性工作。从2014年起，他们选择材料体系非常好的砷化镉入手，从大块的体材料到大片的薄膜，再到纳米类结构和纳米单晶，已取得多项重要成果。三维量子霍尔效应的发现，更为这一领域前沿发展打上“中国烙印”。 修发贤表示，这一发现可为今后凝聚态物理领域进一步科研探索提供一定的实验基础，也使人们更深入了解了该材料体系的物理特性。因其具有非常高的迁移率、电子的传输和响应很快，可能会在红外探测、电子自旋方面做出原型器件。