南京大學物理學院奚嘯翔團隊發現反常金屬態中超導漲落的譜學證據

　　【儀表網 研發快訊】近日，南京大學物理學院奚嘯翔課題組在二維超導體衍生反常金屬態的研究方面取得了重要進展。團隊結合超導希格斯模譜學和低溫電輸運技術，成功探測到原子薄層NbSe2中超導漲落的實驗證據，揭示了磁場誘導的反常金屬態中存在局域電子配對。
 

　　二維超導體由于受漲落效應的影響，易于失去超導序，在某些體系中表現為一種反常金屬態，其特征是縱向電阻遠小于正常態但保持有限值，且持續到零溫極限。該現象與局域化標度理論中關于二維體系中不存在金屬基態的預言相悖，且其內在機制一直未有定論。受限于二維超導體的樣品尺寸，現有關于反常金屬態的實驗研究主要依賴電輸運測量。圍繞此問題，奚嘯翔課題組結合縱向電阻、霍爾電阻和拉曼光譜學手段，系統研究了層狀超導體NbSe2，發現反常金屬態源于二維條件下的脆弱超導性，其超導漲落在外加磁場下表現出意外的魯棒性。這一結果為理解反常金屬態的形成機理提供了重要的實驗依據。
 

　　圖1. (a)典型器件照片。(b) 不同厚度樣品縱向與霍爾電阻的磁場依賴。 (c) 雙層樣品的磁場-溫度相圖。
 

　　為揭示原子薄層NbSe2中反常金屬態的物理特性，團隊通過電輸運表征了不同厚度樣品對垂直磁場的響應(圖1)。實驗發現，原子薄層樣品在磁場增大時先后經歷超導態、反常金屬態、渦旋液體態和正常態的轉變。通過分析相應的臨界場，團隊構建了雙層NbSe2的磁場-溫度相圖。在反常金屬態區域，縱向電阻變為有限值，而霍爾電阻為零，表明其具有粒子-空穴對稱性，源自局域庫珀對構成的超導漲落。與此相對，塊體樣品中縱向電阻與霍爾電阻幾乎在同一場強下變為有限值，表明不存在反常金屬態。
 

　　圖2. (a) 不同厚度樣品超導態的拉曼光譜。(b) 雙層及塊體樣品希格斯模譜權重與縱向電阻溫度依賴對比。(c) 雙層及塊體樣品希格斯模譜權重與縱向、霍爾電阻磁場依賴對比。
 

　　團隊進一步利用拉曼光譜技術深入研究了該體系的超導希格斯模(圖2)。希格斯模是一種源自超導序參量幅值漲落的集體激發模式，可通過與電荷密度波振幅模的耦合而被賦予拉曼活性，是超導性質的靈敏探針。實驗首次確立了原子薄層NbSe2中的希格斯模，并進一步發現其在反常金屬態對應的整個磁場范圍內存在，提供了超導漲落的譜學證據。令人驚訝的是，盡管原子薄層樣品的超導態更脆弱且臨界場更低，其希格斯模卻能維持到更高的約化磁場，展示了反常金屬態中超導漲落的魯棒性。這一結果為理解二維超導體中磁場誘導的反常金屬態提供了新視角。該工作中建立的希格斯模顯微譜學方法預期對于研究其他二維超導與電荷密度波共存體系具有普適意義。
 

　　該成果以“Unveiling Resilient Superconducting Fluctuations in Atomically Thin NbSe2 through Higgs Mode Spectroscopy”為題發表于《Physical Review Letters》。論文被選為“編輯推薦”，并在美國物理學會《Physics Magazine》上以“Strong Hints of a Bose Metal”為題進行推介。南京大學物理學院博士研究生杜煜、博士后劉敢與碩士畢業生阮偉為論文共同第一作者，奚嘯翔教授為論文通訊作者。南京大學李建新教授參與了實驗結果的討論，劉榮華教授協助了器件的制備。日本國立材料研究所Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe課題組提供了氮化硼晶體。該工作得到了國家重點研發計劃、江蘇省自然科學基金、中央高校基本科研業務費、國家自然科學基金的資助，以及南京大學物理學院、固體微結構物理全國重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心和江蘇省物理科學研究中心的支持。