近日，我校合肥微尺度物質科學國家研究中心的向斌教授團隊和中山大學王志副教授團隊合作，通過構建范德瓦爾斯鐵磁金屬Fe3GeTe2(F)橋接兩個單重態超導體NbSe2(S)，在該平面約瑟夫森結(S/F/S)器件中首次觀察到長程超導電流，并且發現該長程超導電流呈現奇異的趨膚效應。該成果以“Long-range skin Josephson supercurrent across a van der Waals ferromagnet”為題于2023年3月30日以Article形式在線發表在《Nature Communications》上。
鐵磁性和超導性是兩個相互抑制的宏觀有序物性，以至于當單重態超導電流進入鐵磁體會引發庫伯對迅速退相干。但是近年來，人們在理論和實驗上發現在超導體/鐵磁體界面近鄰誘導出的自旋三重態超導電流能夠在鐵磁體中無耗散輸運很長距離，因此在新型無耗散量子器件的構建上更可取。早期實驗工作集中在構建耦合體為體相鐵磁體的超導約瑟夫森結，實現對自旋三重態電流的觀察以及自旋和電荷自由度的控制，但是基于二維范德瓦爾斯材料的異質結觀察自旋三重態超導電流以及相關的界面性質研究卻鮮有報道。
針對以上問題，研究團隊利用范德瓦爾斯鐵磁金屬Fe3GeTe2橋接兩個單重態范德華超導體NbSe2，構筑了一個平面范德華約瑟夫森結S/F/S器件。通過對不同通道長度的S/F/S器件低溫電學測試，觀察到器件顯現出零電阻態以及長程約瑟夫森超導電流(~ 300 nm)。隨著通道長度的增加，零溫度超導臨界電流大小呈現衰減趨勢，并且在通道長度為450 nm的S/F/S中完全消失。
更有趣的實驗結果是，該長程超導臨界電流對垂直于超導電流通道的外加磁場的響應，呈現出類似雙縫干涉的周期性震蕩圖案，而非傳統的夫郎赫費周期性震蕩條紋。這個結果證實S/F/S中存在不同于傳統體相通道的約瑟夫森超導電流，而是具有長程趨膚效應的約瑟夫森超導電流。針對該長程超導電流的趨膚效應，研究團隊提出了兩種可能的競爭物理機制：第一，由于Fe3GeTe2表面鏡像對稱破缺引起的Rashba自旋-軌道耦合效應，與鐵磁性及NbSe2的s波超導性相互作用，可能導致Fe3GeTe2表面出現二維拓撲超導性；第二，Fe3GeTe2中Fe原子的非共面結構引起的磁非均勻化，使得單重態庫伯對通過自旋翻轉和自旋混合在表面轉化為自旋三重態，進而形成長程的約瑟夫森超導電流。
圖示：S/F/S約瑟夫森結超電流密度的趨膚效應。(a)磁場沿z軸方向的S/F/S示意圖。(b)3 K處通過約瑟夫森結的微分電阻圖，顯示雙縫干涉模式。(c)對(b)中的數據進行反傅里葉變換得到的沿y軸超電流密度的分布。Fe3GeTe2層厚度為22 nm。(d)磁場沿y軸方向的S/F/S結示意圖。(e)3 K處通過約瑟夫森結的微分電阻圖，顯示出混合的單縫和雙縫干涉模式。(f)從(e)中數據的反傅里葉變換得到的沿z軸超電流密度的分布，表明超電流可以相對更均勻地沿x軸流過約瑟夫森結，但仍然在表面(現在是兩個邊緣)達到峰值。通道寬度w為2mm。
該平面異質結構的S/F/S設計，為探索鐵磁性與超導性的相互作用，提供了一個新的研究視角。該異質結構呈現的新奇物性，為二維超導自旋電子學的新型量子功能器件的潛在應用以及實現拓撲超導提供了一個新的平臺。
胡國靜博士、王昌龍碩士生為本工作并列第一作者，中國科學技術大學向斌教授、中山大學王志副教授為該項成果的并列通訊作者，并與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的牛謙教授和張振宇教授進行了深入合作。該工作得到了國家科技部2030科技創新“量子通信與量子計算機”項目的支持、合肥微尺度物質科學國家研究中心、合肥同步輻射國家實驗室、先進光子科學技術安徽省實驗室以及中國科學技術大學微納研究與制造中心等支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37603-9
（合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學與材料科學學院、物理學院、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部）
