二維層狀超導(dǎo)體二硒化鈮的非互易天線研究取得了重要進(jìn)展

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系/應(yīng)用表面物理國重修發(fā)賢教授在二維層狀超導(dǎo)體二硒化鈮的非互易天線研究中取得重要進(jìn)展。11月6日，相關(guān)研究成果以《基于二硒化鈮的超導(dǎo)非互易天線》（Nonreciprocal Superconducting NbSe2 Antenna）為題在線發(fā)表于期刊《自然·通訊》（Nature Communications 11,5634(2020)）。

近年來，二維層狀單晶超導(dǎo)材料在國際上成為備受關(guān)注的研究重點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)非晶態(tài)、多晶態(tài)超導(dǎo)薄膜，二維層狀單晶超導(dǎo)材料由于其極高的單晶質(zhì)量，因而能將超導(dǎo)態(tài)保持到納米級的原胞層厚度，這使得探測樣品的本征二維超導(dǎo)的新奇屬性成為可能，同時也為人們理解和調(diào)控低維超導(dǎo)態(tài)、超導(dǎo)量子相變等提供了新的研究平臺。盡管二維層狀單晶超導(dǎo)材料擁有豐富的量子現(xiàn)象，其在新功能納米器件方面亦擁有巨大潛在應(yīng)用價(jià)值，但現(xiàn)階段科研人員對二維層狀單晶超導(dǎo)材料的研究大都集中在在物理屬性方面，基于二維層狀單晶超導(dǎo)體的新功能器件的研究尚且處于空白狀態(tài)。

圖（a）超導(dǎo)二硒化鈮天線器件示意圖
圖（b）超導(dǎo)二硒化鈮天線器件的頻譜響應(yīng)二維圖

為了構(gòu)建基于二維層狀單晶超導(dǎo)體的新功能器件，修發(fā)賢課題組首先制備了高質(zhì)量的單晶二硒化鈮塊材，并用膠帶機(jī)械剝離法成功解離出厚度在1-5nm的高質(zhì)量二維單晶超導(dǎo)二硒化鈮。有趣的是，通過輸運(yùn)測量發(fā)現(xiàn)，在超導(dǎo)溫度以下，樣品的二倍頻磁阻等溫曲線呈現(xiàn)多峰的反對稱特點(diǎn)。通過進(jìn)一步對不同電流下的二倍頻磁阻信號分析研究發(fā)現(xiàn)，這是由于對稱性破缺造成的可逆電磁手性效應(yīng)，該效應(yīng)對應(yīng)的雙伽瑪值（反映電磁手性效應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)）遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)非超導(dǎo)體系。

基于這種可逆電磁手性效應(yīng)，修發(fā)賢課題組設(shè)計(jì)制備了納米尺度超導(dǎo)二硒化鈮天線器件。在超導(dǎo)態(tài)下，由于二硒化鈮中的渦旋在外電磁場驅(qū)動下獲得了凈速度，器件可以實(shí)現(xiàn)對外界施加的電磁波的信號的非互易可逆探測：當(dāng)對天線器件輻射電磁波時，器件可以穩(wěn)定的產(chǎn)生直流電壓、電流信號，并持續(xù)穩(wěn)定地對外界輸出能量（做功）。同時，該器件可以實(shí)現(xiàn)對小到1微瓦的電磁波信號的探測，器件的探測頻譜寬度可達(dá)5MHz-900Mhz。

該項(xiàng)工作填補(bǔ)了世界上基于二維單晶超導(dǎo)體的器件研究的空白，對于新型二維單晶超導(dǎo)體的實(shí)際器件應(yīng)用具有重要意義。該項(xiàng)研究工作表明，二維層狀單晶超導(dǎo)體對射頻甚至更高頻段的電磁波的能量采集、探測和識別等過程是一個非常好的器件實(shí)現(xiàn)平臺。特別是，這種納米尺度的超導(dǎo)天線器件，可以工作在極低溫條件下，在未來超導(dǎo)量子計(jì)算電路中具有潛在的應(yīng)用前景。

該研究工作的合作團(tuán)隊(duì)包括復(fù)旦大學(xué)微納電子器件與量子計(jì)算機(jī)研究院沈健教授、郭杭聞研究員，英國曼徹斯特大學(xué)Sarah J. Haigh教授、鄒逸超博士，日本東京大學(xué)Naoto Nagaosa教授。該工作獲得了復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，應(yīng)用表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、優(yōu)秀青年基金和面上項(xiàng)目，博新計(jì)劃和博士后面上項(xiàng)目的大力支持與資助。論文的第一單位為復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢為通訊作者，課題組博士后張恩澤為第一作者。

修發(fā)賢課題組主要從事拓?fù)洳牧系纳L、量子調(diào)控以及新型低維原子晶體材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的制備與表征。在新型低維原子晶體材料的器件方面主要研究其電學(xué)、磁學(xué)和光電特性。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19459-5

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：我國科學(xué)家在二維超導(dǎo)天線的研究中取得重要進(jìn)展

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