北理工团队和西湖大学合作在笼目材料超导二极管效应方面取得重大进展

2024年5月15日，北京理工大学物理学院王秩伟教授、姚裕贵教授团队，与西湖大学林效教授、吴从军教授团队等人合作，在《自然》杂志上在线发表题为“Superconducting diode effect and interference patterns in kagome CsV3Sb5”的研究论文。首次在笼目晶格超导材料CsV3Sb5中观察到了零磁场超导二极管效应和超导干涉条纹，在一定程度上证明了CsV3Sb5中超导态具有时间反演对称性破缺的特征。

笼目晶格超导材料 A V3Sb5（A = K, Rb和Cs）体系有着丰富的物理性质，包括电荷密度波、配对密度波、向列超导电性、反常霍尔效应等等，这几年受到了广泛研究。王秩伟教授团队这几年一直从事笼目晶格超导材料的晶体生长、物性探测与调控、新型笼目晶格超导材料探索等研究，并取得一系列创新性成果，包括CsV3Sb5中发现手性电荷序[Phys. Rev. B, 104, 075148 (2021)]、向列电子相[Nat. Commun., 12 6727 (2021))]、旋转对称性破缺[Nat. Commun., 15, 2888 (2024)]、电荷密度波和超导电性的非常规竞争[Phys. Rev. X 12, 011001 (2022), Phys. Rev. B 105, L180507 (2022), Phys. Rev. Lett. 129. 206402 (2022), Nat. Commun. 14, 3819 (2023)]、无节点各向同性超导能隙[Nature, 617, 488 (2023)]等等。很多实验迹象显示 A V3Sb5是一种非常规超导体，而理论研究也显示它可能蕴藏着一种超导能隙完全打开的手性超导态，然而这种手性超导态依然缺少实验证据，比如相位敏感探测实验。

在本工作中，王秩伟团队提供的高质量CsV3Sb5单晶样品，林效团队通过机械剥离技术获得薄层纳米片，并进一步基于微纳加工制备了用于极低温电输运测量的量子器件，吴从军团队提供了理论计算和模拟。在此研究中，作者首先观察到了无磁场超导二极管效应，如图1所示，这表明在自发时间反演对称性破缺背景下存在动态超导有序畴。超导二极管效应是指超导材料在一个方向上允许更大的超导临界电流通过，而在另一个方向上则有所抑制。这种效应在量子信息处理、量子计算和量子通信等领域具有潜在的应用价值。令人惊奇的是，在外加磁场的作用下，观察到了超导临界电流随磁场变化的周期性振荡现象，表现出双缝超导干涉图案，如图2所示，表明了CsV3Sb5的内部可能还存在着超流形成的环路。图案的特性通过热循环进行调制。这些现象被认为是周期性调制的超电流沿着受磁通量子量子化约束的特定畴边界流动的结果。这些研究结果在一定程度上证明CsV3Sb5具有时间反演对称性破缺的超导态，为在这个笼目超导体系材料中探索Majorana零模等奇异物理提供了新的思路。

该工作得到了浙江省自然科学基金杰出青年项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、新基石基金、北京市重点项目、中国博士后科学基金等项目的资助。

图1. CsV3Sb5器件中的零场超导二极管效应。

图2. 在1.4K低温下测得CsV3Sb5中超导干涉条纹。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07431-y