近日，我校合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的向斌教授團隊和中山大學(xué)王志副教授團隊合作，通過(guò)構建范德瓦爾斯鐵磁金屬Fe3GeTe2(F)橋接兩個(gè)單重態(tài)超導體NbSe2(S)，在該平面約瑟夫森結(S/F/S)器件中首次觀(guān)察到長(cháng)程超導電流，并且發(fā)現該長(cháng)程超導電流呈現奇異的趨膚效應。該成果以“Long-range skin Josephson supercurrent across a van der Waals ferromagnet”為題于2023年3月30日以Article形式在線(xiàn)發(fā)表在《Nature Communications》上。
鐵磁性和超導性是兩個(gè)相互抑制的宏觀(guān)有序物性，以至于當單重態(tài)超導電流進(jìn)入鐵磁體會(huì )引發(fā)庫伯對迅速退相干。但是近年來(lái)，人們在理論和實(shí)驗上發(fā)現在超導體/鐵磁體界面近鄰誘導出的自旋三重態(tài)超導電流能夠在鐵磁體中無(wú)耗散輸運很長(cháng)距離，因此在新型無(wú)耗散量子器件的構建上更可取。早期實(shí)驗工作集中在構建耦合體為體相鐵磁體的超導約瑟夫森結，實(shí)現對自旋三重態(tài)電流的觀(guān)察以及自旋和電荷自由度的控制，但是基于二維范德瓦爾斯材料的異質(zhì)結觀(guān)察自旋三重態(tài)超導電流以及相關(guān)的界面性質(zhì)研究卻鮮有報道。
針對以上問(wèn)題，研究團隊利用范德瓦爾斯鐵磁金屬Fe3GeTe2橋接兩個(gè)單重態(tài)范德華超導體NbSe2，構筑了一個(gè)平面范德華約瑟夫森結S/F/S器件。通過(guò)對不同通道長(cháng)度的S/F/S器件低溫電學(xué)測試，觀(guān)察到器件顯現出零電阻態(tài)以及長(cháng)程約瑟夫森超導電流(~ 300 nm)。隨著(zhù)通道長(cháng)度的增加，零溫度超導臨界電流大小呈現衰減趨勢，并且在通道長(cháng)度為450 nm的S/F/S中完全消失。
更有趣的實(shí)驗結果是，該長(cháng)程超導臨界電流對垂直于超導電流通道的外加磁場(chǎng)的響應，呈現出類(lèi)似雙縫干涉的周期性震蕩圖案，而非傳統的夫郎赫費周期性震蕩條紋。這個(gè)結果證實(shí)S/F/S中存在不同于傳統體相通道的約瑟夫森超導電流，而是具有長(cháng)程趨膚效應的約瑟夫森超導電流。針對該長(cháng)程超導電流的趨膚效應，研究團隊提出了兩種可能的競爭物理機制：第一，由于Fe3GeTe2表面鏡像對稱(chēng)破缺引起的Rashba自旋-軌道耦合效應，與鐵磁性及NbSe2的s波超導性相互作用，可能導致Fe3GeTe2表面出現二維拓撲超導性；第二，Fe3GeTe2中Fe原子的非共面結構引起的磁非均勻化，使得單重態(tài)庫伯對通過(guò)自旋翻轉和自旋混合在表面轉化為自旋三重態(tài)，進(jìn)而形成長(cháng)程的約瑟夫森超導電流。
圖示：S/F/S約瑟夫森結超電流密度的趨膚效應。(a)磁場(chǎng)沿z軸方向的S/F/S示意圖。(b)3 K處通過(guò)約瑟夫森結的微分電阻圖，顯示雙縫干涉模式。(c)對(b)中的數據進(jìn)行反傅里葉變換得到的沿y軸超電流密度的分布。Fe3GeTe2層厚度為22 nm。(d)磁場(chǎng)沿y軸方向的S/F/S結示意圖。(e)3 K處通過(guò)約瑟夫森結的微分電阻圖，顯示出混合的單縫和雙縫干涉模式。(f)從(e)中數據的反傅里葉變換得到的沿z軸超電流密度的分布，表明超電流可以相對更均勻地沿x軸流過(guò)約瑟夫森結，但仍然在表面(現在是兩個(gè)邊緣)達到峰值。通道寬度w為2mm。
該平面異質(zhì)結構的S/F/S設計，為探索鐵磁性與超導性的相互作用，提供了一個(gè)新的研究視角。該異質(zhì)結構呈現的新奇物性，為二維超導自旋電子學(xué)的新型量子功能器件的潛在應用以及實(shí)現拓撲超導提供了一個(gè)新的平臺。
胡國靜博士、王昌龍碩士生為本工作并列第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)向斌教授、中山大學(xué)王志副教授為該項成果的并列通訊作者，并與合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設計中心的牛謙教授和張振宇教授進(jìn)行了深入合作。該工作得到了國家科技部2030科技創(chuàng )新“量子通信與量子計算機”項目的支持、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、合肥同步輻射國家實(shí)驗室、先進(jìn)光子科學(xué)技術(shù)安徽省實(shí)驗室以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心等支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37603-9
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、物理學(xué)院、中科院量子信息與量子科技創(chuàng )新研究院、科研部）
