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炸裂！段鑲鋒教授，Nature發(fā)表5個月后，再發(fā)今年第二篇Nature！個人已手握15篇Nature！

成果簡介

手性超導(dǎo)體（chiral superconductors）是一類獨特的非常規(guī)超導(dǎo)體，其中復(fù)雜的超導(dǎo)序參量在動量空間中順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，代表了具有固有時間反轉(zhuǎn)對稱性破壞（TRSB）的拓?fù)浞瞧椒蚕到y(tǒng)，并直接影響拓?fù)淞孔佑嬎恪１菊餍猿瑢?dǎo)體極為罕見，只有一些存在爭議的例子，包括UTe₂、UPt₃和Sr₂RuO₄。非中心對稱超導(dǎo)體中可能存在手性超導(dǎo)，盡管這種非中心對稱在傳統(tǒng)固態(tài)超導(dǎo)體中并不常見。此外，既沒有鏡像對稱又沒有反轉(zhuǎn)對稱的手性分子也得到了廣泛的研究，因此將手性分子摻入常規(guī)超導(dǎo)體晶格中可以引入非中心對稱性，從而有助于實現(xiàn)手性超導(dǎo)。基于此，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）段鑲鋒教授和黃昱教授、Kang L. Wang（共同通訊作者）等人報道了將手性分子嵌入層狀2H-TaS₂中的非常規(guī)超導(dǎo)性。

本研究揭示了非常規(guī)超導(dǎo)的幾個關(guān)鍵特征，包括：（1）一個異常大的面內(nèi)上臨界場B_{c2, ||}，遠遠超過泡利順磁極限；（2）Little-Parks測量中π相移的穩(wěn)定性表明了非常規(guī)的配對對稱性；（3）無場超導(dǎo)二極管效應(yīng)（SDE），表示處于超導(dǎo)狀態(tài)的TRSB。這些非常規(guī)超導(dǎo)性的實驗特征表明，晶體原子層和自組裝手性分子層之間的相互作用可能導(dǎo)致奇異的拓?fù)洳牧稀Ｑ芯拷Y(jié)果表明，混合超晶格可以通過將大量具有豐富物理性質(zhì)的層狀晶體與具有可設(shè)計結(jié)構(gòu)基序和官能團的幾乎無限變化的分子相結(jié)合，為人工量子材料奠定一條通用的道路。

相關(guān)工作以《Unconventional superconductivity in chiral molecule-TaS₂ hybrid superlattices》為題在《Nature》上發(fā)表。值得注意的是，這是段鑲鋒教授，2024年發(fā)表的第2篇Nature！另一篇于2024年1月31日以題為《Establishing reaction networks in the 16-electron sulfur reduction reaction》發(fā)表在《Nature》上。同時，這也是段鑲鋒教授以第一作者或通訊作者身份發(fā)表的第15篇Nature。

圖文解讀

作者使用化學(xué)插入方法，合成了插入TaS₂超晶格的右旋-甲基芐胺和左旋-甲基芐胺，分別為R-MBA和S-MBA。圓二色性（CD）光譜研究顯示，在波長為255-275 nm的范圍內(nèi)，明顯的CD吸收特征，證實了分子手性成功結(jié)合到混合超晶格中。溫度（T）相關(guān)傳輸測量表明，原始TaS₂器件顯示出1.1 K的超導(dǎo)臨界溫度（T_c），而插入器件的T_c在1.5 K以上明顯增強。研究顯示，390 mK時的面外上臨界場（B_{c2, ⊥}）為0.62 T，而面內(nèi)上臨界場（B_{c2, ||}）遠高于低溫恒溫器能產(chǎn)生的18 T的最大場。對B_{c2, ||}數(shù)據(jù)進行線性外推，得到390 mK時的B_{c2, ||}=36.2 T，比BP高9倍。

圖1.手性分子嵌入層狀超導(dǎo)體2H-TaS₂中

作者利用手性分子嵌入TaS₂制備了亞微米級的超導(dǎo)環(huán)，通過Little-Parks測量來研究超導(dǎo)有序參數(shù)的相位。在略低于T_c的不同溫度下，作者研究了與磁場相關(guān)的電阻。值得注意的是，在1.3 K和1.4 K之間測量的R-MBA/TaS₂器件的電阻曲線顯示出與磁場明顯的周期性振蕩，與Little-Parks效應(yīng)所預(yù)期的一樣。值得注意的是，該器件在零磁場下顯示出最大電阻。該電阻在零場處的最大值表明，手性分子-TaS₂雜化超晶格中超導(dǎo)序參量存在固有π相移。振蕩和π相移在T_c附近的狹窄溫度內(nèi)地觀察到，最大值/最小值位于同一場，對溫度不敏感。

圖2.相靈敏Little-Parks測量和π-相移

Little-Parks器件表現(xiàn)出一致的振蕩周期和π相移，同時Little-Parks測量在七個器件中的三個器件中觀察到π相移。在原始TaS₂器件的情況下，在零場處觀察到最小電阻。同樣，對于由非手性TEAB插入TaS₂制成的器件，Little-Parks振蕩也顯示出零場時的最小電阻，在四個非手性器件中一致觀察到。

圖3.原始2H-TaS₂和非手性分子嵌入TaS₂中的Little-Parks振蕩

SDE是指偏置方向相反（I_c+≠I_c?）的不平衡超導(dǎo)臨界電流（I_c）。在原始TaS₂器件中，正臨界電流（I_c+）和負(fù)臨界電流（I_c?）完美重疊，差異難以察覺。在插入TaS₂的手性分子中，I_c+和I_c?的絕對值明顯在T_c以下發(fā)散，正常狀態(tài)電阻無顯著差異，顯示出在零磁場下明顯的SDE和TRSB。

在原始TaS2中，當(dāng)B=0時，兩個支路之間的臨界電流差ΔI_c=I_c+ ? I_c?=0，表明零場不存在SDE。當(dāng)B≠0時，觀察到一個有限的非零ΔI_c，它相對于零磁場是反對稱的，表明存在明顯的場致SDE。此外，對于手性分子嵌入的TaS₂，在B=0 T附近的正場或負(fù)場處，I_c+總是大于I_c?，盡管有輕微的負(fù)場偏態(tài)，這歸因于與原始2H-TaS₂中也存在的場誘導(dǎo)SDE的反對稱分量的卷積。

圖4.在原始和手性分子嵌入TaS₂中測量的臨界電流I_c

文獻信息

Unconventional superconductivity in chiral molecule-TaS₂ hybrid superlattices. Nature, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07625-4.

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