【儀表網 研發快訊】近日，《自然?通訊》(Nature Communication)在線刊發了物理學院付英雙教授領導的低維物理與量子材料實驗室團隊的最新研究成果，題為《范德華異質結中的人工超導近藤晶格》(Artificial superconducting Kondo lattice in a van der Waals heterostructure)。該工作與北京師范大學黃兵研究員課題組、中國人民大學俞榕教授課題組和中國科學院固體物理研究所的孫玉平研究員課題組合作完成。物理學院博士生范凱為共同第一作者，付英雙教授為論文的通訊作者，華中科技大學為第一單位。
 

　　周期性排列的局域磁矩與傳導電子之間的相干自旋屏蔽形成了近藤晶格，這一過程導致局域磁矩的退局域化和低能電子有效質量的增強，是理解重費米子強關聯體系的理論模型。在近藤晶格中，局域近藤屏蔽和局域磁矩間的交換耦合作用相互競爭導致了多種有趣的關聯量子物態。但是傳統的重費米子材料是具有高度局域化的f電子體系的三維體材料化合物，其復雜的晶格結構為理解重費米子物理機制帶來了困難。低維范德華材料的最新研究進展表明，重費米子也可以存在于 d 電子系統中，其晶格結構簡單可控，這有助于加深對近藤晶格物理的理解。更重要的是，范德華材料可以構建異質結，從而在近藤晶格中方便地引入新的功能，為人工構建功能化的近藤晶格系統提供了可能。
 

圖1.√3×√3VSe2的形貌和原子結構
 

　　付英雙教授研究團隊通過長期探索分子束外延生長條件，精細調控生長動力學，最終在塊材2H-NbSe2表面生長出單層1T-VSe2，成功實現了人工近藤晶格/超導體異質結的構建。掃描隧道顯微鏡測量結合第一性原理計算表明，VSe2/NbSe2異質結間隙中均勻插入了1/3層的V原子，從而在單層VSe2中形成了3×3周期的新電荷密度波(CDW)相(圖1)，并打開了約155 meV的CDW能隙。插層V原子與單層VSe2中的V原子為系統提供了局域磁矩陣列，結合VSe2表面測量到的空間均勻分布的近藤共振峰，預示了近藤晶格的形成。溫度和磁場依賴性的實驗進一步證實了共振峰的近藤起源，并通過半峰寬的擬合，得到了近藤溫度為Tk~44 K(圖2)。除了近藤共振譜，在一些大尺寸VSe2島上還測量到了明顯的雜化能隙譜，兩種特征譜的區別來源于局部應變對兩條隧穿路徑比率的調節，并被不同隧穿比值下的共隧穿模型成功重現，明確證實了近藤晶格的形成。
 

圖2.近藤共振的溫度與磁場依賴性，以及空間均勻性
 

　　此外，在單層VSe2表面還測量到一個超導能隙，這來源于超導2H-NbSe2襯底的超導近鄰效應。VSe2的近鄰超導能隙呈現出與襯底相似的形狀，能隙大小有所減小，但相干峰強度卻略有增強，導致其形狀不能用傳統的BCS模型完美擬合。通過考慮重電子參與超導配對的有效近藤晶格模型，成功復現了實驗中的近鄰超導能隙特征，重電子帶的雜化性質導致了相干峰的譜權重增加(圖3)。
 

圖3.√3×√3VSe2的近鄰超導能隙
 

　　這項工作不僅實現了范德華材料中的近藤晶格構建，豐富了不同材料中的人工重費米子體系，為構建近藤晶格系統提供了新的思路；還成功通過近鄰效應在近藤晶格中引入了超導性，為深入研究超導凝聚與重費米子液體之間的相互作用提供了實驗平臺。本工作是繼團隊在單層1T-NbSe2體系中引入周期性空位缺陷實現準一維近藤晶格后的又一進展。