二維晶態(tài)超導(dǎo)體是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的新興前沿研究方向。2016年液態(tài)柵極技術(shù)發(fā)明人日本東京大學(xué)的Iwasa教授在Nature Review Materials文章中指出，量子格里菲斯奇異性，反常金屬態(tài)和在強(qiáng)平行磁場(chǎng)下存在的超導(dǎo)電性（如伊辛超導(dǎo)）是二維晶態(tài)超導(dǎo)體領(lǐng)域最重要的研究主題（Nat. Rev. Mater. 2， 16094 （2016））。

伊辛超導(dǎo)體是一種強(qiáng)自旋軌道耦合超導(dǎo)體系。有報(bào)道指出，在液態(tài)柵極調(diào)制的MoS2和單層NbSe2薄片等過(guò)渡族金屬硫化物體系中，面內(nèi)中心反演對(duì)稱(chēng)性的破缺產(chǎn)生了塞曼類(lèi)型的自旋軌道耦合，使得電子發(fā)生垂直于二維平面的自旋極化，這種特殊的超導(dǎo)電性被稱(chēng)為伊辛超導(dǎo)電性。由于自旋軌道耦合和自旋極化的存在，伊辛超導(dǎo)電性具有非常大的平行臨界場(chǎng)，常常可達(dá)到數(shù)倍的泡利極限，往往對(duì)應(yīng)于幾十特斯拉甚至更高的強(qiáng)磁場(chǎng)。所謂泡利極限，是指在常規(guī)超導(dǎo)體中通過(guò)自旋效應(yīng)破壞超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)所需的磁場(chǎng)。北京大學(xué)王健研究組和合作者在前期工作中，首次報(bào)道了超高真空分子束外延生長(zhǎng)的宏觀面積的單層NbSe2薄膜中的伊辛超導(dǎo)電性（Nano Lett. 17， 6802 （2017））以及超薄晶態(tài)鉛膜中界面誘導(dǎo)的伊辛超導(dǎo)電性（Phys. Rev. X 8， 021002（2018））。

此外，二維反常金屬態(tài)是否存在一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的核心問(wèn)題。在過(guò)去的三十年里，實(shí)驗(yàn)上在各種二維超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)了反常金屬態(tài)的可能跡象（Rev. Mod. Phys. 91， 11002（2019））。然而，由于外界高頻噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，二維反常金屬態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到廣泛質(zhì)疑，一直無(wú)法得到真正的證實(shí)（Sci. Adv. 5，3826 （2019））。王健研究組與合作者在前期工作中通過(guò)高頻濾波器極低溫電輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)在周期性孔洞陣列調(diào)制的高溫超導(dǎo)YBCO薄膜中證實(shí)了二維反常金屬態(tài)的存在（Science 366， 1505（2019））。然而，在分子束外延生長(zhǎng)的高質(zhì)量晶態(tài)薄膜中，至今仍缺乏反常金屬態(tài)存在的可靠實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

二維晶態(tài)超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)第二類(lèi)伊辛超導(dǎo)和反常金屬態(tài)

近來(lái)，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心的王健教授與林熙研究員，清華大學(xué)薛其坤院士、王立莉副研究員、徐勇副教授、姚宏教授，北京師范大學(xué)劉海文研究員等合作，在超高真空分子束外延制備的二維晶態(tài)超導(dǎo)體PdTe2薄膜中發(fā)現(xiàn)了新一類(lèi)伊辛超導(dǎo)電性，并證實(shí)了反常金屬態(tài)的存在。系統(tǒng)的極低溫實(shí)驗(yàn)表明，6個(gè)原胞層厚（約3nm）的PdTe2薄膜具有非常大的平行臨界場(chǎng)，超過(guò)7倍的泡利極限，是伊辛超導(dǎo)的典型特征。

與之前報(bào)道的伊辛超導(dǎo)不同，PdTe2薄膜具有面內(nèi)中心反演對(duì)稱(chēng)性，表明該體系中存在著一種新的伊辛超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制，經(jīng)王健、徐勇等討論，命名為第二類(lèi)伊辛超導(dǎo)。能帶計(jì)算和理論分析表明，PdTe2薄膜的三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性使體系自旋軌道耦合的等效磁場(chǎng)始終保持在垂直于面的方向上，使電子發(fā)生垂直于面的自旋極化，所形成的超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)很難被平行于表面的磁場(chǎng)破壞，因此產(chǎn)生具有極高面內(nèi)超導(dǎo)臨界場(chǎng)的第二類(lèi)伊辛超導(dǎo)電性。計(jì)算表明，對(duì)于面內(nèi)中心反演對(duì)稱(chēng)的二維超導(dǎo)體，不僅是三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性與四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性也能使二維體系的自旋軌道耦合等效磁場(chǎng)保持在垂直于面的方向上，進(jìn)而表現(xiàn)出第二類(lèi)伊辛超導(dǎo)特性。因此，第二類(lèi)伊辛超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，有望發(fā)展出一個(gè)新的研究方向。

圖（a） PdTe2薄膜的平行臨界場(chǎng)隨溫度的變化關(guān)系符合伊辛超導(dǎo)的理論曲線。左下插圖：PdTe2的晶格結(jié)構(gòu)示意圖，表明這是一種中心對(duì)稱(chēng)體系，不同于之前報(bào)道的伊辛超導(dǎo)體系。右上插圖：第二類(lèi)伊辛超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制示意圖。

圖（b） PdTe2薄膜不同磁場(chǎng)下方塊電阻的對(duì)數(shù)（lgRS）隨溫度的倒數(shù)（1/T）的變化關(guān)系。隨著溫度降低，電阻先下降，然后逐漸趨于飽和，這是反常金屬的典型特征。實(shí)驗(yàn)中使用了高質(zhì)量濾波器排除了外界噪聲對(duì)測(cè)量的影響。

更有意思的是，在垂直磁場(chǎng)下，研究團(tuán)隊(duì)用濾波器過(guò)濾了測(cè)量線路中的高頻噪聲，發(fā)現(xiàn)PdTe2薄膜的電阻隨著溫度降低先下降，然后趨于一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)。這是實(shí)驗(yàn)上首次在分子束外延生長(zhǎng)的高質(zhì)量二維晶體樣品中觀測(cè)到反常金屬態(tài)存在的證據(jù)。進(jìn)一步表明，反常金屬態(tài)是二維超導(dǎo)或玻色子系統(tǒng)除超導(dǎo)態(tài)與絕緣態(tài)外的另一種量子基態(tài)。此外，大多數(shù)的二維超導(dǎo)體系對(duì)空氣十分敏感，很容易因?yàn)檠趸コ瑢?dǎo)電性。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PdTe2薄膜的超導(dǎo)特性在無(wú)任何保護(hù)層的情況下可保持20個(gè)月以上。這種具有宏觀面積，性質(zhì)穩(wěn)定的強(qiáng)自旋軌道耦合超導(dǎo)體系在超導(dǎo)電子器件和自旋電子器件等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

該工作于2020年6月25日在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》上。北京大學(xué)王健教授、清華大學(xué)王立莉副研究員和北京大學(xué)林熙研究員是本文的共同通訊作者，北京大學(xué)博雅博士后劉易，清華大學(xué)徐勇副教授，北京大學(xué)博士生孫健，清華大學(xué)博士生劉充（已畢業(yè)）是本文的共同第一作者。這一工作的主要合作者還包括清華大學(xué)的薛其坤院士，姚宏教授，北京師范大學(xué)的劉海文研究員等。

該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院卓越創(chuàng)新中心、北京市自然科學(xué)基金、北京未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、博士后科學(xué)基金的支持。
? ? ? ?責(zé)任編輯:pj