磁成像解锁了二维超导体的关键特性

使用最先进的磁成像，康奈尔领导的合作首次表征了一类原子薄材料的超导状态的关键特性，这些材料由于其微小的尺寸而难以测量。

该小组的“原子薄门调谐范德华超导体的超流体响应”论文发表在Nature Communications上。主要作者是博士生Alexander Jarjour。

该项目由艺术与科学学院物理学助理教授Katja Nowack和该论文的资深作者领导，他的实验室通过各种扫描探针研究量子材料中的新兴现象和顺序。该小组的超导量子干涉装置(SQUID)特别擅长在低温和小磁场中工作。

研究人员将他们的SQUID(美国仅有的几种鱿鱼之一)应用于无机化合物二硫化钼，该化合物被称为范德华材料。

虽然化学键通常被认为是凝聚态物理学的强力胶，但原子也可以通过范德华力的极化保持在一起，范德华力相对较弱，但有自己独特的特性。范德华材料，如石墨烯，可以被剥落，它们的薄片可以组装成原子薄层。

“范德华材料的美妙之处在于，有大量的物理系统，如超导体和拓扑绝缘体，你可以在这些非常薄的微米级薄片中制造，”Jarjour说。

“不好的部分是，在过去的几十年里，人们发明了分析工具，试图了解散装材料内部发生的事情，这意味着大块的东西，而这些工具，或多或少无一例外，不适用于范德华材料，因为它们太薄了，而且太小了。

探测范德华超导体的典型方法是通过测量电传输，这表明当达到临界温度时，会发生向零电阻的相变。但在那之后，根据诺瓦克的说法，“基本上，你会失明”，因为该方法没有提供任何关于有多少电子参与超导状态的信息 - 以及以何种方式参与。

该团队改进了这种方法，在他们的SQUID上涂上一层微米厚的离子液体，并将其放置在尽可能靠近易碎样品的位置，而不会损坏它。

鱿鱼显示，这些材料正在驱逐设备的磁场。

“看到磁场排出，加上非常低的电阻，是一个非常清晰的信号，表明某物是超导体，”Jarjour说。“我们为那些找到新的范德华超导体并真正想证明它是超导体的人设定了一个新的里程碑。

同样重要的是，驱逐提供了有关范德华材料中电力运输的新信息。

“超导体排出磁场的程度为我们提供了有关有多少电子参与的信息，”Jarjour说。

“我们第一次在原子薄的范德华超导体中测量了这一点，我们发现实际上有很多电子没有参与超导状态。我们相信，根据数据，我们有一个合理的案例，这是因为这些样本中存在电子紊乱。

研究结果还显示了2D超导体与其笨重的3D亲戚有何不同。在一些设备中，研究人员观察到Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变的特征，这是特定于2D材料的，而在另一些设备中，他们发现了扩展的超流体响应。

“我很高兴我们现在可以使用这个工具并将其应用于这一大类真正迷人的超导体，它们是凝聚态物理学中实现非凡超导现象的丰富游乐场，”诺瓦克说。

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