【儀表網 研發快訊】近日，中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心和物理系中國科學院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授、秦維教授、張振宇教授聯合日本東北大學助理教授程廣琿博士，在等離激元調控超導特性研究中取得重要進展。研究團隊通過近場耦合金納米顆粒的等離激元，實現了對薄層二硒化鈮二維超導特性的顯著調控(超導溫度調控超過40%)，并據此設計了等離激元超導開關器件。相關研究成果以“Reversible modulation of superconductivity in thin-film NbSe2via plasmon coupling”為題于在線發表在《自然·通訊》上。
 

　　探索超導與光波的耦合不僅能夠揭示超導相關的演生量子物態，還有助于開發無耗散超導電路。特別是光場作為一種非侵入式手段，其超快和抗干擾的特性能夠推進超導器件的實用化。然而，由于超導材料本身較弱的光-物質相互作用，過去的研究普遍依賴于瞬時的脈沖強光，限制了該領域的研究發展。而等離激元作為固體中電子的集體震蕩效應，能夠在光與超導體之間起到橋梁作用。等離激元能夠將光場壓縮到納米尺度，從而實現等離激元模式與多種準粒子的強相互作用。
 

　　曾長淦教授研究團隊一直致力于準粒子體系、特別是等離激元體系的量子調控行為研究。在前期的工作中，研究團隊發現電子-等離激元耦合對石墨烯電子輸運過程中的量子相干性有極大的增強效應(Phys. Rev. Lett. 119, 156803 (2017)，該工作的共同第一作者是程廣琿和秦維，當時兩人為在校博士生)，這就啟發團隊進一步探索等離激元如何對超導這一宏觀量子相干現象產生影響。
 

　　圖示：(a)等離激元金納米顆粒與二維超導體復合器件示意圖；(b)等離激元共振激發下，觀測到超導溫度的顯著調控；(c)等離激元超導開關操作。
 

　　研究團隊將典型的二維超導體二硒化鈮與等離激元金納米顆粒相結合，通過可見光輻照共振激發金納米顆粒的等離激元，發現二硒化鈮的超導電性被大幅抑制。在光子通量9.36×1013s-1mm-2(相比常見脈沖激光低至少10個數量級)下，超導溫度的調控幅度超過40%。結合對二硒化鈮的厚度依賴關系以及理論分析，觀測到的超導顯著調控來源于等離激元誘導的倏逝波(evanescent field)與二硒化鈮電子之間的高效耦合。基于這一發現，研究團隊開發設計了等離激元超導開關器件，實現了對超導態-非超導態之間的可逆轉換操作。這項工作不僅為光控超導提供了有效的方法，也為未來尋找玻色子輔助超導配對以及超越BCS理論的非傳統超導機制提供了啟示。
 

　　日本東北大學材料科學高等研究所助理教授程廣琿博士為論文第一作者，曾長淦教授、秦維教授和程廣琿博士為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院以及安徽省的資助。程廣琿博士得到了日本學術振興會科研費以及日本東北大學的資助。(合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)