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基于電子—聲子作用建立起來的BCS理論從微觀上成功地解釋了常規(guī)超導體的超導電性起源。根據(jù)BCS理論，在不考慮軌道作用的情況下，超導體所能承受的最大磁場稱為泡利極限（Hp）。近年來，隨著二維材料的研究興起，二維單晶薄膜中的超導現(xiàn)象也成為國際研究的熱點之一。

對于具有強自旋—軌道耦合作用的二維體系，如過渡金屬硫?qū)倩衔颩oS₂，NbSe₂，TaS₂等，因其面內(nèi)中心反演對稱性破缺，導致了伊辛自旋—軌道耦合作用保護的超導相出現(xiàn)（Ising spin-orbit coupling protected superconductivity），這一現(xiàn)象也被稱之為伊辛超導（Ising superconductivity）。由于自旋內(nèi)稟磁場的存在，伊辛超導相中的庫伯對可以在遠超泡利極限的面內(nèi)磁場中存在，其面內(nèi)上臨界場可達幾十甚至上百特斯拉。這一重要特征為未來低耗散的超導量子器件的應用提供了新的可能性。不僅如此，理論計算表明：利用伊辛超導體可以構(gòu)造馬約拉納費米子（Majorana fermions），為拓撲量子器件的實現(xiàn)提供了新的實驗平臺。因此，尋找諸如伊辛超導這類具有強自旋—軌道耦合作用的新型二維超導相具有重要的理論以及應用價值。

有鑒于此，中國科學院物理研究所呂力課題組的劉廣同副研究員、新加坡南洋理工大學的劉政副教授、南方科技大學的林君浩副教授，以及香港科技大學的羅錦團(K. T. Law) 教授組成的團隊，通過低溫輸運測量與理論計算，在少層Td相的MoTe₂樣品中，發(fā)現(xiàn)了一種由各向異性自旋—軌道作用導致的新型二維超導相。其面外上臨界場展現(xiàn)出與伊辛超導體類似的行為，高出泡利極限2~3倍（如圖1所示）。

圖1. 少層MoTe₂的二維超導性質(zhì)

與已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的面內(nèi)各向同性的伊辛超導體不同，該新型超導相展現(xiàn)出明顯的面內(nèi)各向異性，即在面內(nèi)上臨界場與面內(nèi)臨界電流具有顯著的兩重對稱性。更為重要的是，面內(nèi)臨界場在不同方向均超過泡利極限，這是首次在實驗上觀察到該現(xiàn)象（圖2）。理論計算表明這種獨特的自旋—軌道耦合作用起源于Td相的特殊晶體對稱性。這是迄今為止在過渡金屬硫?qū)倩镏邪l(fā)現(xiàn)的關(guān)于各相異性自旋—軌道耦合作用的第一個實驗證據(jù)。該發(fā)現(xiàn)將有助于促進過渡金屬二硫化物中的超導自旋電子學研究。

圖2. 少層MoTe₂超導面內(nèi)上臨界場的兩重對稱性

該工作由各方面通力合作完成。新加坡南洋理工大學劉政教授指導的博士后周家東博士制備出高質(zhì)量MoTe₂樣品；南方科技大學林君浩副教授進行了STEM表征，證實了MoTe₂樣品為Td結(jié)構(gòu)；物理所呂力課題組劉廣同副研究員帶領(lǐng)學生崔健、李沛嶺，完成了低溫強磁場的輸運測量，發(fā)現(xiàn)了二維超導以及面內(nèi)上臨界場的增強及其兩重對稱性；香港科技大學羅錦團(K. T. Law) 教授、劉軍偉教授與賀文宇博士，從理論上給出了各向異性自旋—軌道耦合作用下的超導機制。

參考文獻：

Jian Cui, Peiling Li, Jiadong Zhou,Wen-Yu He, Junhao Lin, Zheng Liu, Guangtong Liu et al. Transport evidence ofasymmetric spin–orbit coupling in few-layer superconducting 1T_d-MoTe_2.Nature Communications 2019.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09995-0