从量子设计到设计量子——Quantum Design测量“生态圈”与量子材料研究

导读

近年来量子材料的概念逐渐走进大家的视野，量子材料顾名思义就是由于自身电子的量子特性而具有奇异物理特性的材料。从铜氧化物超导体到铁基超导体，从石墨烯到拓扑绝缘体，越来越多的新材料不能被原来的自旋电子材料、强关联体系所准确定义，而量子材料这一概念从本质上描述了这类材料的特性。

纵观几十年来材料科学的发展历程，从1984年台基于量子材料的超导量子干涉仪（SQUID）的诞生到现在人为设计、制备量子材料，由量子材料制造的工具正在不断推动新型量子材料的研究和发展。从当初的SQUID到现在的完备测量领域“生态圈”，Quantum Design正是这一历史发展的见证者和创造者。‍

正文

今天我们为大家介绍北京大学王健教授（Quantum Design用户）课题组在人为设计二维超导材料方面的新研究进展。2018年4月Physical Review X报道了北京大学王健教授课题组的新发表的科研成果“Interface-Induced Zeeman-Protected Superconductivity in Ultrathin Crystalline Lead Films”。

众所周知，在超导材料中电子并不是单独存在而是以“库珀对”的形式存在。对超导材料施加外磁场将会破坏“库珀对”从而破坏材料的超导特性。在超薄二维超导材料中面内限磁场Bc通常由泡利限Bp所决定，但是近期研究发现一些特殊的机制可以阻止“库珀对”被破坏，使得Bc可以超越Bp的限制。例如，在自旋三重态的超导体中“库珀对”由自旋平行的电子对组成，因此限场可以超越泡利限。在无序二维超导薄膜中传统型“库珀对”对应的泡利限被自旋轨道散射取代，散射会破坏自旋朝向并减弱自旋顺磁性。此外，内在的自旋轨道相互作用（SOI）也会提升Bc。由面外对称性破缺导致的Rashba型SOI可以在面内产生自旋化提升限场，不过面内的限磁场Bc上限是√2Bp。在面内对称性破缺的高质量二维超导材料中，例如单层NbSe₂ 和MoS_2，也观察到了Bc远超泡利限的现象，我们称之伊辛超导特性。由于面内对称的破缺在面外产生的自旋化我们称为Zeeman型 SOI，这样的二维超导材料面内限场Bc可以远超泡利上限。但是大多二维超导材料都是面对称的，并不能产生Zeeman型SOI。

图1 文章中对材料在不同磁场和温度下超导性质的测量

为了更加深入地研究塞曼保护超导性（Zeeman-protect Superconductivity），王建教授课题组通过精密控制成功在Si（111）表面制备出面内带状对称性破缺的超薄Pb薄膜，测量发现6层Pb薄膜面内限磁场Bc竟高达35.5T（大测量磁场），远超泡利限Bp=14.7T，并且作者从理论计算上解释了新型薄膜中的超高Bc的机理。超高Bc材料的发现对于超导机理的研究和超导材料的应用都具有十分重要的意义，也推动了超导材料在强磁场和多种端环境下的使用。这一结果也预示着人们有望在二维超导体系中，通过界面调制发现新的非常规超导特性。

图2 文章中分别对4、5、6层Pb薄膜在不同温度下的限场进行的测量。

更多详细内容请参考原文献（DOI:10.1103/PhysRevX.8.021002）  

在本项研究中作者利用Quantum Design公司生产的综合物性测量系统PPMS和磁学测量系统MPMS对材料磁场下的电学性质以及磁学性质进行了精细测量，优质的测量数据也为理论计算和实验对比提供了重要的帮助。作为综合物性和磁学测量的顶级设备生产商，Quantum Design见证了我国在量子材料领域的快速发展。Quantum Design公司在30多年的发展历程中，从初的SQUID到现在的MPMS3和PPMS，助力越来越多的科研工作者利用Quantum Design的优质设备取得重要科研成果。

相关产品及链接：
1、 综合物性测量系统PPMS：

https://ibook.antpedia.com/6212/p/68997-p.html

2、 完全无液氦综合物性测量系统 DynaCool：

https://ibook.antpedia.com/6212/p/68998-p.html

3、 新一代磁学测量系统MPMS3：

https://ibook.antpedia.com/6212/p/68996-p.html

4、 超全开放强磁场低温光学研究平台OptiCool：

https://ibook.antpedia.com/6212/p/106219-p.html