近日，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組與合作者利用SHMFF水冷磁體WM5，在薄層二維層狀單晶超導(dǎo)體2M-WS2中揭示了自旋-軌道-宇稱耦合的超導(dǎo)新機(jī)制。11月14日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于期刊Nature Physics，并同期發(fā)表 News & Views評(píng)論。

　　近年來(lái)，二維層狀單晶超導(dǎo)體成為國(guó)際上備受關(guān)注的研究重點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)非晶態(tài)和多晶態(tài)超導(dǎo)薄膜，二維層狀單晶超導(dǎo)體由于其極高的單晶質(zhì)量而能將超導(dǎo)態(tài)保持到納米級(jí)的原胞層厚度，為人們理解和探測(cè)樣品的本征二維超導(dǎo)的新奇特性提供了很好的研究平臺(tái)。二維層狀單晶超導(dǎo)體中一個(gè)很重要的研究方向就是研究其超導(dǎo)在面內(nèi)強(qiáng)臨界場(chǎng)下的行為，尋找其中可以對(duì)抗較大外界磁場(chǎng)的超導(dǎo)體。這一類研究無(wú)論對(duì)于基礎(chǔ)物理學(xué)研究，還是對(duì)超導(dǎo)的應(yīng)用研究都具有重要意義。

　　自旋-軌道-宇稱耦合的超導(dǎo)最早由香港科技大學(xué)羅錦團(tuán)教授理論預(yù)言提出(Phys.Rev.Lett.125.107001,(2020))。指的是如圖1a所示的具有拓?fù)淠軒ХD(zhuǎn)的二維中心對(duì)稱超導(dǎo)體中，在具有相反奇偶性宇稱的拓?fù)淠軒ХD(zhuǎn)區(qū)域附近，會(huì)打開(kāi)一個(gè)拓?fù)淠芟丁Ｔ谶@種情況下，僅包含自旋和動(dòng)量的傳統(tǒng)自旋軌道耦合（SOC）項(xiàng)由于體系具有空間反演對(duì)稱性而被禁止，但是空間反演對(duì)稱性卻允許體系的自旋、動(dòng)量和電子態(tài)的宇稱在拓?fù)淠軒ХD(zhuǎn)區(qū)域附近耦合在一起，稱為自旋-軌道-宇稱耦合。這種自旋-軌道-宇稱耦合會(huì)使得體系在拓?fù)淠軒ХD(zhuǎn)區(qū)域附近產(chǎn)生新奇的超導(dǎo)態(tài)，稱為自旋-軌道-宇稱耦合超導(dǎo)，該超導(dǎo)具有巨大的（超過(guò)泡利極限）并且各向異性的面內(nèi)上臨界磁場(chǎng)。

　　為了尋找自旋-軌道-宇稱耦合超導(dǎo)，修發(fā)賢課題組與合作者研究了新型層狀單晶超導(dǎo)體2M-WS2，這種新興的層狀單晶超導(dǎo)體由于其能帶中具有拓?fù)淠軒ХD(zhuǎn)特性，是探測(cè)自旋-軌道-宇稱耦合超導(dǎo)理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。用機(jī)械剝離的方法，修發(fā)賢課題組制備了2M-WS2薄層電輸運(yùn)器件。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，4nm左右厚度的2M-WS2 擁有約7.6K的超導(dǎo)臨界溫度,并且超導(dǎo)處于clean limit。磁輸運(yùn)也證明，與塊材中不同的是，薄層2M-WS2中的超導(dǎo)具有二維超導(dǎo)的屬性。如器件的I-V關(guān)系曲線呈現(xiàn)冪次現(xiàn)象，器件的小角度范圍內(nèi)的面外向面內(nèi)轉(zhuǎn)角的上臨界磁場(chǎng)遵循二維Tinkham公式等（圖1b）。

　　基于薄層2M-WS2中的二維超導(dǎo)，課題組利用WM5的輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)研究了薄層2M-WS2在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下，面內(nèi)上臨界磁場(chǎng)的行為和超導(dǎo)能隙的演化。研究發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，薄層2M-WS2 的面內(nèi)上臨界磁場(chǎng)大大超出了泡利極限，且呈現(xiàn)出很強(qiáng)的二重簡(jiǎn)并各向異性（圖1c，d）。與之相一致（圖1e，f），微分電導(dǎo)測(cè)量表明其超導(dǎo)能隙可以存在于遠(yuǎn)大于泡利極限的面內(nèi)磁場(chǎng)下，也具有很強(qiáng)二重簡(jiǎn)并各向異性。理論合作者的平均場(chǎng)理論計(jì)算也表明：薄層2M-WS2由于具有拓?fù)淠軒ХD(zhuǎn)特性而產(chǎn)生不對(duì)稱的自旋-軌道-宇稱耦合，這種耦合能有效地釘扎住拓?fù)淠軒Ы徊娓浇淖孕龖B(tài)并且能夠各向異性地重整化外界Zeeman場(chǎng)的影響，從而導(dǎo)致了在上述實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的超導(dǎo)在面內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)下的新奇現(xiàn)象。上述研究也表明，薄層2M-WS2中的超導(dǎo)機(jī)制即為自旋-軌道-宇稱耦合超導(dǎo)。

　　該研究首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了自旋-軌道-宇稱耦合超導(dǎo)，揭示出在具有拓?fù)淠軒ХD(zhuǎn)特性的二維中心對(duì)稱超導(dǎo)體中，由于自旋-軌道-宇稱耦合的影響，上臨界磁場(chǎng)不但可以大大超過(guò)泡利極限，并且具有很強(qiáng)的面內(nèi)各向異性。該研究對(duì)于深入理解具有拓?fù)淠軒ХD(zhuǎn)特性的二維中心對(duì)稱超導(dǎo)體中的奇異超導(dǎo)行為具有重要意義。同時(shí)，新型層狀單晶超導(dǎo)體2M-WS2在研究中所展現(xiàn)出的獨(dú)特的物理屬性也表明其在探究高階拓?fù)涑瑢?dǎo)和新器件方面具有較好的研究?jī)r(jià)值。

　　該工作由復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組，中科院上海硅酸鹽研究所董紹明院士、楊金山研究員、黃富強(qiáng)研究員，香港科技大學(xué)羅錦團(tuán)教授，中科院合肥研究院強(qiáng)磁場(chǎng)中心張警蕾研究員，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Sarah Haigh教授，中山大學(xué)鄒逸超副教授和上海科技大學(xué)寇煦豐副教授合作完成。

　　論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41567-022-01812-8 

　　新聞與觀點(diǎn)（News & Views）評(píng)論鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01824-4 

圖1（a）薄層2M-WS2的能帶示意圖，（b）薄層2M-WS2中面外向面內(nèi)轉(zhuǎn)角的上臨界場(chǎng)的演化規(guī)律。插圖，小角度范圍內(nèi)面外向面內(nèi)轉(zhuǎn)角的上臨界場(chǎng)的演化規(guī)律。（c）薄層2M-WS2中面內(nèi)上臨界場(chǎng)的二重簡(jiǎn)并屬性。（d）薄層2M-WS2的歸一化電阻在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下的各向異性行為。（e）薄層2M-WS2在不同方向面內(nèi)磁場(chǎng)（9T）下微分電導(dǎo)的演化。（f）薄層2M-WS2超導(dǎo)能隙在面內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)下的各向異性行為