近日，穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶復旦大學物理學系修發(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體2M-WS2中揭示了自旋-軌道-宇稱耦合的超導新機制。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評論。

　　近年來，二維層狀單晶超導體成為國際上備受關(guān)注的研究重點。相較于傳統(tǒng)非晶態(tài)和多晶態(tài)超導薄膜，二維層狀單晶超導體由于其極高的單晶質(zhì)量而能將超導態(tài)保持到納米級的原胞層厚度，為人們理解和探測樣品的本征二維超導的新奇特性提供了很好的研究平臺。二維層狀單晶超導體中一個很重要的研究方向就是研究其超導在面內(nèi)強臨界場下的行為，尋找其中可以對抗較大外界磁場的超導體。這一類研究無論對于基礎(chǔ)物理學研究，還是對超導的應用研究都具有重要意義。

　　自旋-軌道-宇稱耦合的超導最早由香港科技大學羅錦團教授理論預言提出(Phys.Rev.Lett.125.107001,(2020))。指的是如圖1a所示的具有拓撲能帶翻轉(zhuǎn)的二維中心對稱超導體中，在具有相反奇偶性宇稱的拓撲能帶翻轉(zhuǎn)區(qū)域附近，會打開一個拓撲能隙。在這種情況下，僅包含自旋和動量的傳統(tǒng)自旋軌道耦合（SOC）項由于體系具有空間反演對稱性而被禁止，但是空間反演對稱性卻允許體系的自旋、動量和電子態(tài)的宇稱在拓撲能帶翻轉(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-宇稱耦合會使得體系在拓撲能帶翻轉(zhuǎn)區(qū)域附近產(chǎn)生新奇的超導態(tài)，稱為自旋-軌道-宇稱耦合超導，該超導具有巨大的（超過泡利極限）并且各向異性的面內(nèi)上臨界磁場。

　　為了尋找自旋-軌道-宇稱耦合超導，修發(fā)賢課題組與合作者研究了新型層狀單晶超導體2M-WS2，這種新興的層狀單晶超導體由于其能帶中具有拓撲能帶翻轉(zhuǎn)特性，是探測自旋-軌道-宇稱耦合超導理想的實驗平臺。用機械剝離的方法，修發(fā)賢課題組制備了2M-WS2薄層電輸運器件。通過測量發(fā)現(xiàn)，4nm左右厚度的2M-WS2 擁有約7.6K的超導臨界溫度,并且超導處于clean limit。磁輸運也證明，與塊材中不同的是，薄層2M-WS2中的超導具有二維超導的屬性。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)角的上臨界磁場遵循二維Tinkham公式等（圖1b）。

　　基于薄層2M-WS2中的二維超導，課題組利用WM5的輸運測量系統(tǒng)研究了薄層2M-WS2在低溫強磁場下，面內(nèi)上臨界磁場的行為和超導能隙的演化。研究發(fā)現(xiàn)在超導轉(zhuǎn)變溫度以下，薄層2M-WS2 的面內(nèi)上臨界磁場大大超出了泡利極限，且呈現(xiàn)出很強的二重簡并各向異性（圖1c，d）。與之相一致（圖1e，f），微分電導測量表明其超導能隙可以存在于遠大于泡利極限的面內(nèi)磁場下，也具有很強二重簡并各向異性。理論合作者的平均場理論計算也表明：薄層2M-WS2由于具有拓撲能帶翻轉(zhuǎn)特性而產(chǎn)生不對稱的自旋-軌道-宇稱耦合，這種耦合能有效地釘扎住拓撲能帶交叉附近的自旋態(tài)并且能夠各向異性地重整化外界Zeeman場的影響，從而導致了在上述實驗中觀測到的超導在面內(nèi)強磁場下的新奇現(xiàn)象。上述研究也表明，薄層2M-WS2中的超導機制即為自旋-軌道-宇稱耦合超導。

　　該研究首次在實驗上發(fā)現(xiàn)了自旋-軌道-宇稱耦合超導，揭示出在具有拓撲能帶翻轉(zhuǎn)特性的二維中心對稱超導體中，由于自旋-軌道-宇稱耦合的影響，上臨界磁場不但可以大大超過泡利極限，并且具有很強的面內(nèi)各向異性。該研究對于深入理解具有拓撲能帶翻轉(zhuǎn)特性的二維中心對稱超導體中的奇異超導行為具有重要意義。同時，新型層狀單晶超導體2M-WS2在研究中所展現(xiàn)出的獨特的物理屬性也表明其在探究高階拓撲超導和新器件方面具有較好的研究價值。

　　該工作由復旦大學物理學系修發(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、黃富強研究員，香港科技大學羅錦團教授，中科院合肥研究院強磁場中心張警蕾研究員，英國曼徹斯特大學Sarah Haigh教授，中山大學鄒逸超副教授和上海科技大學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（News & Views）評論鏈接：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)角的上臨界場的演化規(guī)律。（c）薄層2M-WS2中面內(nèi)上臨界場的二重簡并屬性。（d）薄層2M-WS2的歸一化電阻在低溫強磁場下的各向異性行為。（e）薄層2M-WS2在不同方向面內(nèi)磁場（9T）下微分電導的演化。（f）薄層2M-WS2超導能隙在面內(nèi)強磁場下的各向異性行為