Studie beobachtet Spin-Orbit-Paritäts-gekoppelte Supraleitung in dünnem 2M-WS2

In den letzten Jahren haben viele Physiker und Materialwissenschaftler Supraleiter untersucht, Materialien, die beim Abkühlen auf eine bestimmte Temperatur Gleichstrom ohne Energieverlust leiten können. Diese Materialien könnten zahlreiche wertvolle Anwendungen haben, zum Beispiel die Erzeugung von Energie für bildgebende Geräte (z. B. MRI-Scanner), Züge und andere technologische Systeme.

Forscher der Fudan-Universität, des Shanghai Qi Zhi Institute, der Hong Kong University of Science and Technology und anderer Institute in China haben kürzlich einen neuen Mechanismus zur Erzeugung eines anisotrop verstärkten oberen kritischen Feldes in der Ebene in atomar dünnen zentrosymmetrischen Supraleitern mit topologischen Bandinversionen entdeckt. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Naturphysikdemonstrierten diesen Mechanismus speziell an einer dünnen Schicht aus 2M-WS2, einem Material, das kürzlich viel Aufmerksamkeit in der Forschung auf sich gezogen hat.

„Im Jahr 2020 ein Paper unseres theoretischen Mitarbeiters Prof. KT Law schlug vor, dass zentrosymmetrische 2D-Supraleiter mit einer topologischen Bandinversion, wie 1T‘-WTe2, eine bestimmte Art von Supraleitung aufweisen, die als Spin-Orbit-Parity-gekoppelte (SOPC) Supraleitung bezeichnet wird“, sagte Enze Zhang, einer der Forscher, der die Studie durchführte, sagte Phys.org.

„Es wird vorausgesagt, dass SOPC eine neuartige Supraleitung in der Nähe der topologischen Bandkreuzung mit sowohl stark erhöhter als auch anisotroper Spin-Suszeptibilität in Bezug auf Magnetfeldrichtungen in der Ebene erzeugt. Zu dieser Zeit führten wir Untersuchungen zu den supraleitenden Eigenschaften von atomar dünnem 2M-WS2 durch, Nach einem Gespräch mit Prof. KT Law waren wir der Meinung, dass der entstehende Van-der-Waals-Supraleiter 2M-WS2 höchstwahrscheinlich ein vielversprechender Kandidat für Spin-Orbit-Paritäts-gekoppelte Supraleitung sein würde.“

Die Struktur der Monoschicht 2M-WS2 ist identisch mit der von 1T′-WTe2, dem zuvor von Prof. Law und seinem Team untersuchten Material. 2M-WS2 hat jedoch einen einzigartigen Stapelmodus, der es von anderen Übergangsmetalldichalkogeniden unterscheidet.

Die Forscher fanden zuvor heraus, dass dieses Material in seiner massiven Form eine hohe supraleitende Übergangstemperatur aufweist TC von 8,8 K. Darüber hinaus legten theoretische Berechnungen nahe, dass atomar dünne Schichten von 2M-WS2 topologische Randzustände mit Bandinversion halten.

In ihren Experimenten haben Zhang und seine Kollegen das obere kritische Feld in der Ebene bei einem hohen Magnetfeld gemessen und die Verletzung des Pauli-Grenzgesetzes bestätigt. Sie beobachteten auch eine stark anisotrope zweifache Symmetrie im Material als Reaktion auf die Richtung des Magnetfelds in der Ebene.

„Tunneling-Experimente, die unter hohen Magnetfeldern in der Ebene durchgeführt wurden, zeigten auch, dass der supraleitende Spalt in atomar dünnem 2M-WS2 eine anisotrope magnetische Reaktion entlang verschiedener Magnetfeldrichtungen in der Ebene aufweist und weit über der Pauli-Grenze anhält“, erklärte Zhang. „Unter Verwendung selbstkonsistenter Mean-Field-Berechnungen schließen unsere theoretischen Mitarbeiter, dass diese ungewöhnlichen Verhaltensweisen auf die starke Spin-Bahn-Paritäts-Kopplung zurückzuführen sind, die sich aus der topologischen Bandinversion in 2M-WS2 ergibt.“

Die Experimente der Forscher erstreckten sich über mehrere Schritte. Zunächst führte das Team Magnettransportmessungen an atomar dünnem 2M-WS2 durch und stellte fest, dass sein oberes kritisches Feld in der Ebene nicht nur weit über der paramagnetischen Grenze von Pauli liegt, sondern auch eine stark anisotrope zweifache Symmetrie als Reaktion auf das in aufweist -ebene Magnetfeldrichtung.

Anschließend verwendeten sie Tunnelspektroskopie, um Messungen unter hohen Magnetfeldern in der Ebene zu sammeln. Diese Messungen zeigten, dass der supraleitende Spalt in atomar dünnem 2M-WS2 eine anisotrope magnetische Reaktion entlang verschiedener Magnetfeldrichtungen in der Ebene besitzt, die weit über der Pauli-Grenze bestehen bleibt.

Schließlich führten die Forscher eine Reihe selbstkonsistenter Berechnungen des mittleren Feldes durch, um den Ursprung des ungewöhnlichen Verhaltens, das sie in ihrer Probe beobachteten, besser zu verstehen. Basierend auf ihren Ergebnissen schlussfolgerten sie, dass diese Verhaltensweisen auf die starke Spin-Bahn-Paritätskopplung zurückzuführen sind, die sich aus der topologischen Bandinversion in 2M-WS2 ergibt, die den Spin von Zuständen in der Nähe der topologischen Bandkreuzung effektiv fixiert und den Effekt von externem Zeeman renormiert Felder anisotrop.

„Wir haben einen neuen Mechanismus zur Erzeugung eines anisotrop verstärkten oberen kritischen Feldes in der Ebene in atomar dünnen zentrosymmetrischen Supraleitern mit topologischen Bandinversionen entdeckt, was 2D 2M-WS2 als wunderbare Plattform für die Untersuchung exotischer supraleitender Phänomene wie Topologie höherer Ordnung hervorhebt Supraleitung und weitere Geräteanwendungen“, sagte Zhang.

„Die hier gefundenen neuartigen Eigenschaften sind höchst nicht trivial, da sie direkt eine starke SOPC widerspiegeln, die von der topologischen Bandinversion im Normalzustand von 2M-WS2 herrührt, die viele Jahre in früheren Studien zu zentrosymmetrischen Supraleitern ignoriert worden war.“

In den letzten Jahren haben mehr Forschungsteams weltweit die Eigenschaften und Mechanismen von zentrosymmetrischen supraleitenden Übergangsmetall-Dichalkogeniden (TMDs) untersucht, wie z. B. einlagiges supraleitendes 1T′-MoS2 und 1T′-WTe2, aufgrund der charakteristischen Koexistenz der topologischen Bande Struktur und Supraleitung in ihnen.

Die jüngste Veröffentlichung von Zhang und seinen Kollegen könnte den Weg zur Erforschung großer verstärkter und stark anisotroper oberer kritischer Felder in der Ebene ebnen, was das derzeitige Verständnis der exotischen Physik dieser Materialien weiter verbessern könnte.

„Wir planen nun, die üblichen supraleitenden Eigenschaften (wie das obere kritische Feld in der Ebene und das Verhalten der Tunnelspektroskopie bei einem hohen Magnetfeld) von atomar dünneren zentrosymmetrischen Supraleitern mit topologischen Bandinversionen zu untersuchen“, fügte Zhang hinzu.

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