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炸裂！段鑲鋒教授，Nature發表5個月后，再發今年第二篇Nature！個人已手握15篇Nature！

成果簡介

手性超導體（chiral superconductors）是一類獨特的非常規超導體，其中復雜的超導序參量在動量空間中順時針或逆時針旋轉，代表了具有固有時間反轉對稱性破壞（TRSB）的拓撲非平凡系統，并直接影響拓撲量子計算。本征性超導體極為罕見，只有一些存在爭議的例子，包括UTe₂、UPt₃和Sr₂RuO₄。非中心對稱超導體中可能存在手性超導，盡管這種非中心對稱在傳統固態超導體中并不常見。此外，既沒有鏡像對稱又沒有反轉對稱的手性分子也得到了廣泛的研究，因此將手性分子摻入常規超導體晶格中可以引入非中心對稱性，從而有助于實現手性超導。基于此，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）段鑲鋒教授和黃昱教授、Kang L. Wang（共同通訊作者）等人報道了將手性分子嵌入層狀2H-TaS₂中的非常規超導性。

本研究揭示了非常規超導的幾個關鍵特征，包括：（1）一個異常大的面內上臨界場B_{c2, ||}，遠遠超過泡利順磁極限；（2）Little-Parks測量中π相移的穩定性表明了非常規的配對對稱性；（3）無場超導二極管效應（SDE），表示處于超導狀態的TRSB。這些非常規超導性的實驗特征表明，晶體原子層和自組裝手性分子層之間的相互作用可能導致奇異的拓撲材料。研究結果表明，混合超晶格可以通過將大量具有豐富物理性質的層狀晶體與具有可設計結構基序和官能團的幾乎無限變化的分子相結合，為人工量子材料奠定一條通用的道路。

相關工作以《Unconventional superconductivity in chiral molecule-TaS₂ hybrid superlattices》為題在《Nature》上發表。值得注意的是，這是段鑲鋒教授，2024年發表的第2篇Nature！另一篇于2024年1月31日以題為《Establishing reaction networks in the 16-electron sulfur reduction reaction》發表在《Nature》上。同時，這也是段鑲鋒教授以第一作者或通訊作者身份發表的第15篇Nature。

圖文解讀

作者使用化學插入方法，合成了插入TaS₂超晶格的右旋-甲基芐胺和左旋-甲基芐胺，分別為R-MBA和S-MBA。圓二色性（CD）光譜研究顯示，在波長為255-275 nm的范圍內，明顯的CD吸收特征，證實了分子手性成功結合到混合超晶格中。溫度（T）相關傳輸測量表明，原始TaS₂器件顯示出1.1 K的超導臨界溫度（T_c），而插入器件的T_c在1.5 K以上明顯增強。研究顯示，390 mK時的面外上臨界場（B_{c2, ⊥}）為0.62 T，而面內上臨界場（B_{c2, ||}）遠高于低溫恒溫器能產生的18 T的最大場。對B_{c2, ||}數據進行線性外推，得到390 mK時的B_{c2, ||}=36.2 T，比BP高9倍。

圖1.手性分子嵌入層狀超導體2H-TaS₂中

作者利用手性分子嵌入TaS₂制備了亞微米級的超導環，通過Little-Parks測量來研究超導有序參數的相位。在略低于T_c的不同溫度下，作者研究了與磁場相關的電阻。值得注意的是，在1.3 K和1.4 K之間測量的R-MBA/TaS₂器件的電阻曲線顯示出與磁場明顯的周期性振蕩，與Little-Parks效應所預期的一樣。值得注意的是，該器件在零磁場下顯示出最大電阻。該電阻在零場處的最大值表明，手性分子-TaS₂雜化超晶格中超導序參量存在固有π相移。振蕩和π相移在T_c附近的狹窄溫度內地觀察到，最大值/最小值位于同一場，對溫度不敏感。

圖2.相靈敏Little-Parks測量和π-相移

Little-Parks器件表現出一致的振蕩周期和π相移，同時Little-Parks測量在七個器件中的三個器件中觀察到π相移。在原始TaS₂器件的情況下，在零場處觀察到最小電阻。同樣，對于由非手性TEAB插入TaS₂制成的器件，Little-Parks振蕩也顯示出零場時的最小電阻，在四個非手性器件中一致觀察到。

圖3.原始2H-TaS₂和非手性分子嵌入TaS₂中的Little-Parks振蕩

SDE是指偏置方向相反（I_c+≠I_c?）的不平衡超導臨界電流（I_c）。在原始TaS₂器件中，正臨界電流（I_c+）和負臨界電流（I_c?）完美重疊，差異難以察覺。在插入TaS₂的手性分子中，I_c+和I_c?的絕對值明顯在T_c以下發散，正常狀態電阻無顯著差異，顯示出在零磁場下明顯的SDE和TRSB。

在原始TaS2中，當B=0時，兩個支路之間的臨界電流差ΔI_c=I_c+ ? I_c?=0，表明零場不存在SDE。當B≠0時，觀察到一個有限的非零ΔI_c，它相對于零磁場是反對稱的，表明存在明顯的場致SDE。此外，對于手性分子嵌入的TaS₂，在B=0 T附近的正場或負場處，I_c+總是大于I_c?，盡管有輕微的負場偏態，這歸因于與原始2H-TaS₂中也存在的場誘導SDE的反對稱分量的卷積。

圖4.在原始和手性分子嵌入TaS₂中測量的臨界電流I_c

文獻信息

Unconventional superconductivity in chiral molecule-TaS₂ hybrid superlattices. Nature, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07625-4.

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