中國科大發(fā)現(xiàn)等離激元耦合對二維超導特性的顯著調(diào)控

近日，中國科大合肥微尺度物質(zhì)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(lián)合日本東北大學助理教授程廣琿博士，在等離激元調(diào)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(xiàn)了對薄層二硒化鈮二維超導特性的顯著調(diào)控（超導溫度調(diào)控超過40%），并據(jù)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(fā)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(tài)，還有助于開發(fā)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(zhì)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(fā)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?qū)⒐鈭鰤嚎s到納米尺度，從而實現(xiàn)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(diào)控行為研究。在前期的工作中，研究團隊發(fā)現(xiàn)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(fā)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(xiàn)象產(chǎn)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(fā)下，觀測到超導溫度的顯著調(diào)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(jié)合，通過可見光輻照共振激發(fā)金納米顆粒的等離激元，發(fā)現(xiàn)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(shù)量級）下，超導溫度的調(diào)控幅度超過40%。結(jié)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(diào)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?；谶@一發(fā)現(xiàn)，研究團隊開發(fā)設計了等離激元超導開關器件，實現(xiàn)了對超導態(tài)-非超導態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)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(tǒng)超導機制提供了啟示。