Science Advances報(bào)道北大量子材料科學(xué)中間韓偉、謝心澄在自旋超導(dǎo)領(lǐng)域的緊張進(jìn)展
自旋超導(dǎo)態(tài)是一種與電荷超導(dǎo)態(tài)對應(yīng)的新型量子態(tài),指電荷為零自旋非零的波色子在低溫時(shí)凝聚成的超流態(tài)。自旋超導(dǎo)態(tài)具有零自旋阻征象和電邁斯納效應(yīng):零自旋阻指的是自旋流能夠無耗散地流過自旋超導(dǎo)態(tài),雖然它是電荷絕緣體;電邁斯納效應(yīng)指自旋超導(dǎo)態(tài)的電場梯度屏蔽作用。此外,自旋約瑟夫森效應(yīng)也被理論預(yù)言存在于二個(gè)具有相位差的自旋超導(dǎo)體構(gòu)成的弱耦合結(jié)中。自旋超導(dǎo)態(tài)也與電荷超導(dǎo)態(tài)存在著基本不同,電荷超導(dǎo)是由電子或空穴配成庫珀對,但是自旋超導(dǎo)態(tài)是由電荷為零自旋非零玻色子凝聚產(chǎn)生的,比如電荷-空穴對或者磁子等電荷為0,自旋為1的玻色子等。因?yàn)樽孕瑢?dǎo)態(tài)具有的獨(dú)特量子性子,近年來受到了廣泛關(guān)注。理論上預(yù)言鐵磁性石墨烯、磁性絕緣體和反鐵磁絕緣體等多種材料系統(tǒng)可能是自旋超導(dǎo)態(tài)的載體,但是在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中自旋超導(dǎo)態(tài)還沒有被觀測到。如何在實(shí)驗(yàn)上觀測到自旋超導(dǎo)基態(tài)和其中的自旋輸運(yùn)是自旋超導(dǎo)研究領(lǐng)域的核心題目。
最近,北京大學(xué)量子材料中間韓偉、謝心澄等組成的研究團(tuán)隊(duì)在國際上首次成功從實(shí)驗(yàn)上觀測到了自旋超流基態(tài)的緊張實(shí)驗(yàn)證據(jù),是自旋超導(dǎo)領(lǐng)域的一項(xiàng)龐大突破性進(jìn)展。研究小組首先行使激光分子束外延技術(shù)生長了具有原子級(jí)別平整度的反鐵磁Cr2O3薄膜,是電荷的絕緣體。采用非局域自旋輸運(yùn)的技術(shù),用熱方法在鉑電極和Cr2O3薄膜界面注入自旋流、產(chǎn)生自旋壓,在另外一個(gè)鉑電極處行使鉑的自旋霍爾效應(yīng)測量自旋流的輸運(yùn)(圖A)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)在低溫下自旋輸旌旗燈號(hào)出現(xiàn)飽和征象,對應(yīng)著自旋導(dǎo)的飽和,也就是零自旋阻效應(yīng);即自旋超流基態(tài)的最緊張基本性子之一(圖B)。在此基礎(chǔ)上,該研究小組又體系研究了不同自旋輸運(yùn)距離下自旋超流的輸運(yùn)征象,證實(shí)了自旋在該自旋超流基態(tài)可以進(jìn)行長距離的輸運(yùn),并且其隨輸運(yùn)距離的關(guān)系與自旋超流態(tài)輸運(yùn)理論預(yù)言同等(圖C)。該工作是是自旋超導(dǎo)態(tài)領(lǐng)域研究的一項(xiàng)龐大突破,勢必推動(dòng)自旋超導(dǎo)態(tài)的快速發(fā)展,為研究基于自旋玻色子的玻色愛因斯坦凝聚的基礎(chǔ)物理研究提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并為新型量子自旋器件,如自旋流約瑟夫森結(jié)等,奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
自旋超流基態(tài)的緊張實(shí)驗(yàn)證據(jù)。(A)非局域自旋輸運(yùn)測量示意圖。用熱方法在左邊鉑電極和Cr2O3薄膜界面注入自旋流,在右邊鉑電極處行使鉑的自旋霍爾效應(yīng)測量自旋流的輸運(yùn)。(B)自低溫下自旋輸旌旗燈號(hào)出現(xiàn)飽和征象,反映出自旋超流基態(tài)的零自旋阻效應(yīng)。(C)自旋旌旗燈號(hào)隨其隨輸運(yùn)距離的關(guān)系與自旋超流態(tài)輸運(yùn)理論預(yù)言同等。
該工作于2018年4月13日發(fā)表于物理聞名學(xué)術(shù)期刊Science Advances上(Science Advances,4,eaat1098(2018).DOI: 10.1126/sciadv.aat1098)。論文鏈接是:http://advances.sciencemag.org/content/4/4/eaat1098.
該項(xiàng)工作由韓偉研究員、謝心澄院士的合作設(shè)計(jì)和引導(dǎo)完成的,課題進(jìn)展工程中得到了Ryuichi Shindou研究員、施靖教授和林熙研究員的幫助。北京大學(xué)量子材料科學(xué)中間2013級(jí)博士生袁偉為文章第一作者,韓偉研究員、施靖教授和謝心澄院士為文章共同通信作者。該項(xiàng)工作得到了國家龐大科學(xué)研究計(jì)劃、國家天然科學(xué)基金、中組部青年千人計(jì)劃和量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中間的支撐。
編輯:山石
責(zé)編:白楊
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