近日，中國(guó)科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心和物理系中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾長(zhǎng)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(guò)近場(chǎng)耦合金納米顆粒的等離激元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guò)40%），并據(jù)此設(shè)計(jì)了等離激元超導(dǎo)開(kāi)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(kāi)發(fā)無(wú)耗散超導(dǎo)電路。特別是光場(chǎng)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(guò)去的研究普遍依賴(lài)于瞬時(shí)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?chǎng)壓縮到納米尺度，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(zhǎng)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(duì)石墨烯電子輸運(yùn)過(guò)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(shí)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(duì)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(cè)到超導(dǎo)溫度的顯著調(diào)控；（c）等離激元超導(dǎo)開(kāi)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(guò)可見(jiàn)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(jiàn)脈沖激光低至少10個(gè)數(shù)量級(jí)）下，超導(dǎo)溫度的調(diào)控幅度超過(guò)40%。結(jié)合對(duì)二硒化鈮的厚度依賴(lài)關(guān)系以及理論分析，觀測(cè)到的超導(dǎo)顯著調(diào)控來(lái)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?；谶@一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了等離激元超導(dǎo)開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(lái)尋找玻色子輔助超導(dǎo)配對(duì)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(zhǎng)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(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)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(huì)科研費(fèi)以及日本東北大學(xué)的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50452-4
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
