近日，南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室、粤港澳大湾区量子科学中心薛其坤-杨硕颖团队在二维超导的本征超导干涉方面取得进展。研究团队在少层二硒化铌（NbSe₂）的超导涨落区间首次观测到了周期性的磁阻振荡、超导干涉现象和超导二极管效应。相关成果以“Magnetoresistance Oscillations in Few-Layer NbSe₂ in Superconducting Fluctuation Regime”为题发表在物理学期刊Physical Review Letters上，并被评选为“编辑推荐”。

当材料被减薄到仅有几个原子层厚度时，其超导体行为会与传统三维超导显著不同。在三维超导体中，库伯对可以在材料内部自由形成相干的宏观量子态，使整个系统表现出完美的零电阻特征。而在二维极限下，库伯对受到空间维度的限制，热涨落和量子涨落的影响会显著增强，从而使超导态变得更加脆弱且对外界扰动更加敏感。这种随维度降低增强的超导涨落效应不仅会影响超导体的电阻和临界温度，还可能导致传统三维超导中不存在的非常规现象，比如反常金属态、局域涡旋的产生，以及超导相位的不均匀分布。

图1.水氧敏感材料微纳加工平台

2024年，薛其坤-杨硕颖研究团队建立了低维材料器件物理实验室，依托先进的微纳加工技术和低温量子输运测量手段，聚焦低维材料及其异质结中涌现的新奇量子现象研究。历经两年的攻关，实验室已建成面向水氧敏感二维材料的手套箱互连系统，可在惰性气氛中完成材料剥离、表征、堆垛和金属蒸镀等器件制备全过程，为实现高质量量子材料异质结的构筑和低温量子输运测量提供了关键支持。本研究正是在此研究平台基础上完成。

图2.少层NbSe₂中的周期性磁阻振荡（a-c）3层、4层和6层中的磁阻振荡，随着样品厚度增加，该振荡现象逐渐减弱。(d) 三维厚层NbSe₂中的磁阻振荡消失

此研究中，研究团队首先在少层NbSe₂中观测到了周期性的磁阻振荡。此类振荡具有非常独特的出现条件：它仅存在于接近零电阻的极窄温度区间以及较小的磁场范围内。随着样品厚度的增加，振荡现象逐渐减弱，直至消失（图2）。这一显著的厚度依赖性与已知的反常金属行为高度一致：样品越薄，超导相位涨落越强，表明磁阻振荡与超导涨落存在密切相关，而非传统的相位相干机制。研究人员通过实验进一步发现，在同样的温度区间内，体系中还同时存在超导干涉现象以及随磁场调制的超导二极管效应（图3）。值得关注的是，传统的超导干涉现象（如Little-Parks振荡或Josephson效应）通常依赖于精心设计的介观结构以及全局相位相干性。而在本研究中，以上现象均出现于未经过微纳加工的本征二维超导体中，且仅存于超导涨落最为显著的中间温区，在低温强相干或高温正常态下则消失。

图3.磁阻振荡、超导干涉和超导二极管现象随温度的依赖

综上所述，本研究提出，依赖相干性的干涉现象实际上起源于薄层材料中强烈的超导相位涨落。研究人员为此构建了一个简洁的物理模型：在材料中天然存在的不对称超流环路结构中，热激发的超导涡旋可通过克服周期性势垒运动（图4）。在低温条件下，涡旋无法克服势垒穿过超流环路；在高温条件下，超导电性消失。因此，仅在中间温度区间，涡旋能够被热激发，从而产生磁阻振荡和超导干涉等现象。这一发现揭示了在二维极限中，被认为会破坏超导性的相位涨落，反而可能催生新型的量子干涉行为。该机制不依赖于长程相位相干性，因而突破了传统Little–Parks图像的限制，为理解低维超导中的新型量子干涉现象提供了新的实验依据和理论视角。

图4.基于涡旋穿过不对称超导环路的物理模型

南科大物理系2024级博士生尹小龙和2023级硕士生曹从哲为论文共同第一作者。南方科技大学校长薛其坤院士、物理系杨硕颖助理教授和梅佳伟副教授为本文的通讯作者。南科大为论文第一单位。相关研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、广东省量子科学战略专项和深圳市基础研究的专项资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rtxc-6tvs

供稿：物理系

通讯员：李明原

主图：丘妍

编辑：任奕霏