實驗測得的錫烯超導(dǎo)中奇異的上臨界磁場行為

　　最近，清華大學(xué)物理系副教授張定和北京量子信息科學(xué)研究院院長薛其坤院士領(lǐng)導(dǎo)的中德合作團(tuán)隊，首次在具有高對稱性的材料錫烯薄膜中觀測到了數(shù)倍于理論預(yù)期的臨界磁場，并清晰地觀測到了溫度逼近絕對零度時臨界磁場的發(fā)散行為，給出了伊辛超導(dǎo)的實驗證據(jù)。相關(guān)成果3月13日在線發(fā)表于《科學(xué)》。

　　超導(dǎo)體臨界磁場是指在外加磁場下超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)所需的磁場強度。它是超導(dǎo)的基本性質(zhì)之一，也是決定超導(dǎo)體應(yīng)用的一項重要指標(biāo)。近年來人們發(fā)現(xiàn)，某些厚度僅有幾個原子層的薄膜可以在幾十特斯拉的磁場下保持超導(dǎo)態(tài)，這大大超出了人們的預(yù)料。為了解釋這個現(xiàn)象，人們提出了伊辛配對機制，認(rèn)為這是由于這一類特殊材料的晶格不具備中心反演對稱性，參與超導(dǎo)配對的電子具有了鎖定的自旋取向所致。然而，也有人認(rèn)為這是材料維度效應(yīng)所導(dǎo)致的，挑戰(zhàn)了伊辛配對機制。同時，伊辛超導(dǎo)理論的一個重要預(yù)言——臨界磁場的低溫發(fā)散行為，也一直未被實驗驗證。

　　2018年，張定等人首次發(fā)現(xiàn)灰錫薄膜（錫烯）具有超導(dǎo)電性，隨后發(fā)現(xiàn)其面內(nèi)上臨界磁場超過了常規(guī)超導(dǎo)體的上限，即所謂的泡利極限。為了進(jìn)一步深刻理解錫烯的二維超導(dǎo)特性，研究團(tuán)隊與德國馬普學(xué)會固態(tài)研究所科學(xué)家合作，利用極低溫強磁場下原位旋轉(zhuǎn)測量技術(shù)，系統(tǒng)測量了不同厚度錫烯樣品在近乎整個超導(dǎo)溫度區(qū)間上臨界磁場的變化行為，發(fā)現(xiàn)上臨界磁場不僅超出泡利極限，而且在溫度逼近絕對零度時仍無飽和跡象，這是典型的伊辛超導(dǎo)行為。

　　由于錫烯具有中心反演對稱性，這些行為不能用現(xiàn)有的伊辛超導(dǎo)理論解釋。為了理解這一令人困惑的現(xiàn)象，清華大學(xué)物理系副教授徐勇和北京師范大學(xué)研究員劉海文等開展了深入的理論研究。通過理論與實驗的緊密結(jié)合，研究人員最終提出了由自旋軌道耦合與材料對稱性共同作用的新一類伊辛配對機制，即第二類伊辛配對機制。該工作不但為伊辛超導(dǎo)的存在提供了實驗證據(jù)，也拓寬了人們尋找伊辛超導(dǎo)的材料范圍。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aax3873