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(tuán)隊和中山大學(xué)王志副教授團(tuán)隊合作，通過構(gòu)建范德瓦爾斯鐵磁金屬Fe3GeTe2(F)橋接兩個單重態(tài)超導(dǎo)體NbSe2(S)，在該平面約瑟夫森結(jié)(S/F/S)器件中首次觀察到長程超導(dǎo)電流，并且發(fā)現(xiàn)該長程超導(dǎo)電流呈現(xiàn)奇異的趨膚效應(yīng)。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形式在線發(fā)表在《Nature Communications》上。
鐵磁性和超導(dǎo)性是兩個相互抑制的宏觀有序物性，以至于當(dāng)單重態(tài)超導(dǎo)電流進(jìn)入鐵磁體會引發(fā)庫伯對迅速退相干。但是近年來，人們在理論和實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)體/鐵磁體界面近鄰誘導(dǎo)出的自旋三重態(tài)超導(dǎo)電流能夠在鐵磁體中無耗散輸運(yùn)很長距離，因此在新型無耗散量子器件的構(gòu)建上更可取。早期實(shí)驗(yàn)工作集中在構(gòu)建耦合體為體相鐵磁體的超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)，實(shí)現(xiàn)對自旋三重態(tài)電流的觀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(jié)觀察自旋三重態(tài)超導(dǎo)電流以及相關(guān)的界面性質(zhì)研究卻鮮有報道。
針對以上問題，研究團(tuán)隊利用范德瓦爾斯鐵磁金屬Fe3GeTe2橋接兩個單重態(tài)范德華超導(dǎo)體NbSe2，構(gòu)筑了一個平面范德華約瑟夫森結(jié)S/F/S器件。通過對不同通道長度的S/F/S器件低溫電學(xué)測試，觀察到器件顯現(xiàn)出零電阻態(tài)以及長程約瑟夫森超導(dǎo)電流(~ 300 nm)。隨著通道長度的增加，零溫度超導(dǎo)臨界電流大小呈現(xiàn)衰減趨勢，并且在通道長度為450 nm的S/F/S中完全消失。
更有趣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，該長程超導(dǎo)臨界電流對垂直于超導(dǎo)電流通道的外加磁場的響應(yīng)，呈現(xiàn)出類似雙縫干涉的周期性震蕩圖案，而非傳統(tǒng)的夫郎赫費(fèi)周期性震蕩條紋。這個結(jié)果證實(shí)S/F/S中存在不同于傳統(tǒng)體相通道的約瑟夫森超導(dǎo)電流，而是具有長程趨膚效應(yīng)的約瑟夫森超導(dǎo)電流。針對該長程超導(dǎo)電流的趨膚效應(yīng)，研究團(tuán)隊提出了兩種可能的競爭物理機(jī)制：第一，由于Fe3GeTe2表面鏡像對稱破缺引起的Rashba自旋-軌道耦合效應(yīng)，與鐵磁性及NbSe2的s波超導(dǎo)性相互作用，可能導(dǎo)致Fe3GeTe2表面出現(xiàn)二維拓?fù)涑瑢?dǎo)性；第二，F(xiàn)e3GeTe2中Fe原子的非共面結(jié)構(gòu)引起的磁非均勻化，使得單重態(tài)庫伯對通過自旋翻轉(zhuǎn)和自旋混合在表面轉(zhuǎn)化為自旋三重態(tài)，進(jìn)而形成長程的約瑟夫森超導(dǎo)電流。
圖示：S/F/S約瑟夫森結(jié)超電流密度的趨膚效應(yīng)。(a)磁場沿z軸方向的S/F/S示意圖。(b)3 K處通過約瑟夫森結(jié)的微分電阻圖，顯示雙縫干涉模式。(c)對(b)中的數(shù)據(jù)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)磁場沿y軸方向的S/F/S結(jié)示意圖。(e)3 K處通過約瑟夫森結(jié)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(shù)據(jù)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軸流過約瑟夫森結(jié)，但仍然在表面(現(xiàn)在是兩個邊緣)達(dá)到峰值。通道寬度w為2mm。
該平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)的S/F/S設(shè)計，為探索鐵磁性與超導(dǎo)性的相互作用，提供了一個新的研究視角。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的新奇物性，為二維超導(dǎo)自旋電子學(xué)的新型量子功能器件的潛在應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)提供了一個新的平臺。
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(xiàng)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(shè)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(jī)”項(xiàng)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(yàn)室、先進(jìn)光子科學(xué)技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)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）
