科學通報 | 原子級精準調控籠目金屬中演生準二維超導態(tài)和配對密度波

發(fā)展人工操縱單個原子技術, 實現(xiàn)人類“用原子搭積木”的愿景, 是納米科技的核心目標. 早在1989年, IBM科學家利用掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscpe, STM)在鎳表面精準排列35個氙原子, 拼出公司Logo, 標志著人類進入原子操縱時代 [1] . 從此, 原子操縱技術迅速發(fā)展, 使原子尺度上調控物質的多種物理性質成為可能. 這包括: 將原子或分子按照特定的幾何構型排列, 用以調控其能帶結構 [2] ; 在原子尺度上對磁性原子鏈或磁性納米結構進行調控 [3] ; 以及在原子尺度上實現(xiàn)精準刻蝕 [4] 等. 然而, 傳統(tǒng)的原子操縱與物性調控研究多集中于貴金屬或半導體材料表面. 近年來, 關聯(lián)量子材料中演生物態(tài)的原子級精確調控對于實現(xiàn)原子級新型量子器件具有重大意義. 目前, 利用原子操縱技術對關聯(lián)量子材料中演生量子物態(tài)進行原子級精確調控的研究極具挑戰(zhàn)性, 國際上未曾有過報道.

最近, 在籠目金屬CsV3Sb5中, 我們利用極低溫-強磁場掃描隧道顯微鏡/譜與原子操縱技術人工構筑了與表面2×2電荷密度波(charge density wave, CDW)具有相同周期的堿金屬銫(Cs)有序結構, 原子級精準調控了演生準二維超導態(tài)和配對密度波, 成功實現(xiàn)了對關聯(lián)量子材料中演生物態(tài)的精確調控. 該研究成果發(fā)表于 Nature Nanotechnology [5] .

通過調控樣品的解理溫度, 我們獲得了一種全新的解理面——2×2 Cs解理面. 該解理面上Cs原子最短間距為兩倍晶格常數(shù). 經(jīng)測量發(fā)現(xiàn), 2×2 Cs面在費米能級附近存在一個顯著的局域束縛態(tài), 并且展現(xiàn)出一個大小約為1.7 meV, 關于費米能級對稱的能隙( 圖1(a) ). 系統(tǒng)的變磁場和變溫實驗確認了該能隙為2×2 Cs面的新型演生準二維超導能隙. 此外, 在對應準二維超導能量范圍內, 我們還觀測到調制周期為4倍晶格周期(4 a 0×4 a 0)的準二維超導配對密度波 [ 6 , 7 ] .

圖1 在籠目金屬CsV3Sb5表面構筑堿金屬人工量子結構, 演生出新型的準二維超導態(tài)并實現(xiàn)原子級精準調控 [5] . (a) 不同表面的微分電導譜. (b) STM原子操縱構建人工2×2 Cs三角形納米島的示意圖. (c) 不同尺寸的人造2×2 Cs納米島. (d) 三角形島特征隧穿電導譜對島尺寸的依賴關系. (e) 四種2×2 Cs重構構型的特征微分電導譜. (f) 在2×2 CDW的“反相位”界面產生準二維超導

為揭示演生超導的產生機制, 我們利用STM原子操縱技術人工構建了不同尺寸的正三角形2×2 Cs納米島( 圖1(b), (c) ). 研究發(fā)現(xiàn), 當納米島邊由多于20個Cs原子組成時( 圖1(d) ), 可在納米島特征譜中探測到演生超導態(tài). 據(jù)此可以精確計算出該演生超導態(tài)的相干長度約為 6?nm, 該數(shù)值和通過磁通渦旋估算得到的結果一致.

堿金屬原子會在樣品表面引入局域電子摻雜, 這會對樣品表面能帶造成影響 [8] . 但是除2×2 Cs以外, 在CsV3Sb5中還被報道發(fā)現(xiàn)過多種重構 [9] , 其中不乏與2×2 Cs有著相似表面Cs原子覆蓋度的重構, 然而我們并未在這些重構中探測到演生超導態(tài). 所以除了電子摻雜外, 一定還存在其他的誘導因素. 我們注意到, 不同于其他重構, 2×2 Cs和CsV3Sb5的三維2×2×2 CDW有著相同的面內周期, 二者可能存在緊密聯(lián)系. 而每個2×2 Cs超晶格只包含一個Cs原子, 該原子可占據(jù)下層籠目晶格中CDW的2×2超結構內四個六邊形中心位之一. 由此可以得到四種2×2 Cs超晶格在表面的排布構型, 其中只有一種與面內2×2 CDW同相位, 其余三種皆為反相位, 即存在π相位差. 而且經(jīng)密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn), 表面2×2 CDW與2×2 Cs存在相位鎖定關系, 經(jīng)表面弛豫后2×2 CDW會與2×2 Cs保持同相位, 故四種2×2 Cs構型中, 僅一種與體CDW同相, 其余三種因π相位差破壞CDW的相位相干, 形成“反相位”界面. 據(jù)此, 我們再次利用STM原子操縱技術, 在表面構建了四種同尺寸不同相位的正三角形2×2 Cs納米島, 在其中三種構型中觀測到了較強的演生超導, 剩余一種構型中則無法探測到( 圖1(e) ). 這說明三維2×2×2 CDW的“反相位”界面是演生準二維超導態(tài)的關鍵因素( 圖1(f) ).

為進一步證明演生超導態(tài)與體材料中三維CDW密切相關, 我們也設計了對比實驗. 在同樣具有三維CDW的其他籠目超導體(KV3Sb5和RbV3Sb5)中, 我們均觀測到了演生超導態(tài)的跡象. 此外, 通過Ti摻雜, 籠目超導體中長程有序的CDW被完全抑制 [10] . 在該材料表面構筑的2×2的Cs有序結構中未能觀測到演生超導態(tài).

該研究創(chuàng)新性地通過原子操縱技術人工構建了堿金有序結構, 首次實現(xiàn)了籠目金屬材料中的演生準二維超導態(tài)與配對密度波的調控, 通過精確構筑CDW“反相位”界面探明了三維CDW堆垛的相位缺陷是產生準二維超導的關鍵因素, 提出了在籠目金屬乃至其他關聯(lián)量子材料中演生、操控與控制量子多體態(tài)的新方法. 未來, 借助自動化操縱 [11] 或化學方法 [12] , 有望實現(xiàn)在微米尺度上CDW相位的調控, 為角分辨光電子譜、輸運測量等手段提供全新的量子材料平臺.

參考文獻

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