【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計(jì)中心和物理系中國科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾長淦教授、秦維教授、張振宇教授聯(lián)合日本東北大學(xué)助理教授程廣琿博士，在等離激元調(diào)控超導(dǎo)特性研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過近場耦合金納米顆粒的等離激元，實(shí)現(xiàn)了對薄層二硒化鈮二維超導(dǎo)特性的顯著調(diào)控(超導(dǎo)溫度調(diào)控超過40%)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了等離激元超導(dǎo)開關(guān)器件。相關(guān)研究成果以“Reversible modulation of superconductivity in thin-film NbSe2via plasmon coupling”為題于在線發(fā)表在《自然·通訊》上。
探索超導(dǎo)與光波的耦合不僅能夠揭示超導(dǎo)相關(guān)的演生量子物態(tài)，還有助于開發(fā)無耗散超導(dǎo)電路。特別是光場作為一種非侵入式手段，其超快和抗干擾的特性能夠推進(jìn)超導(dǎo)器件的實(shí)用化。然而，由于超導(dǎo)材料本身較弱的光-物質(zhì)相互作用，過去的研究普遍依賴于瞬時的脈沖強(qiáng)光，限制了該領(lǐng)域的研究發(fā)展。而等離激元作為固體中電子的集體震蕩效應(yīng)，能夠在光與超導(dǎo)體之間起到橋梁作用。等離激元能夠?qū)⒐鈭鰤嚎s到納米尺度，從而實(shí)現(xiàn)等離激元模式與多種準(zhǔn)粒子的強(qiáng)相互作用。
曾長淦教授研究團(tuán)隊(duì)一直致力于準(zhǔn)粒子體系、特別是等離激元體系的量子調(diào)控行為研究。在前期的工作中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)電子-等離激元耦合對石墨烯電子輸運(yùn)過程中的量子相干性有極大的增強(qiáng)效應(yīng)(Phys. Rev. Lett. 119, 156803 (2017)，該工作的共同第一作者是程廣琿和秦維，當(dāng)時兩人為在校博士生)，這就啟發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索等離激元如何對超導(dǎo)這一宏觀量子相干現(xiàn)象產(chǎn)生影響。
圖示：(a)等離激元金納米顆粒與二維超導(dǎo)體復(fù)合器件示意圖；(b)等離激元共振激發(fā)下，觀測到超導(dǎo)溫度的顯著調(diào)控；(c)等離激元超導(dǎo)開關(guān)操作。
研究團(tuán)隊(duì)將典型的二維超導(dǎo)體二硒化鈮與等離激元金納米顆粒相結(jié)合，通過可見光輻照共振激發(fā)金納米顆粒的等離激元，發(fā)現(xiàn)二硒化鈮的超導(dǎo)電性被大幅抑制。在光子通量9.36×1013s-1mm-2(相比常見脈沖激光低至少10個數(shù)量級)下，超導(dǎo)溫度的調(diào)控幅度超過40%。結(jié)合對二硒化鈮的厚度依賴關(guān)系以及理論分析，觀測到的超導(dǎo)顯著調(diào)控來源于等離激元誘導(dǎo)的倏逝波(evanescent field)與二硒化鈮電子之間的高效耦合。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)設(shè)計(jì)了等離激元超導(dǎo)開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)了對超導(dǎo)態(tài)-非超導(dǎo)態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換操作。這項(xiàng)工作不僅為光控超導(dǎo)提供了有效的方法，也為未來尋找玻色子輔助超導(dǎo)配對以及超越BCS理論的非傳統(tǒng)超導(dǎo)機(jī)制提供了啟示。
日本東北大學(xué)材料科學(xué)高等研究所助理教授程廣琿博士為論文第一作者，曾長淦教授、秦維教授和程廣琿博士為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院以及安徽省的資助。程廣琿博士得到了日本學(xué)術(shù)振興會科研費(fèi)以及日本東北大學(xué)的資助。(合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)
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