南京大学物理学院奚啸翔团队发现反常金属态中超导涨落的谱学证据

近日，南京大学物理学院奚啸翔课题组在二维超导体衍生反常金属态的研究方面取得了重要进展。团队结合超导希格斯模谱学和低温电输运技术，成功探测到原子薄层NbSe₂中超导涨落的实验证据，揭示了磁场诱导的反常金属态中存在局域电子配对。

二维超导体由于受涨落效应的影响，易于失去超导序，在某些体系中表现为一种反常金属态，其特征是纵向电阻远小于正常态但保持有限值，且持续到零温极限。该现象与局域化标度理论中关于二维体系中不存在金属基态的预言相悖，且其内在机制一直未有定论。受限于二维超导体的样品尺寸，现有关于反常金属态的实验研究主要依赖电输运测量。围绕此问题，奚啸翔课题组结合纵向电阻、霍尔电阻和拉曼光谱学手段，系统研究了层状超导体NbSe₂，发现反常金属态源于二维条件下的脆弱超导性，其超导涨落在外加磁场下表现出意外的鲁棒性。这一结果为理解反常金属态的形成机理提供了重要的实验依据。

图1. (a)典型器件照片。(b) 不同厚度样品纵向与霍尔电阻的磁场依赖。 (c) 双层样品的磁场-温度相图。

为揭示原子薄层NbSe₂中反常金属态的物理特性，团队通过电输运表征了不同厚度样品对垂直磁场的响应（图1）。实验发现，原子薄层样品在磁场增大时先后经历超导态、反常金属态、涡旋液体态和正常态的转变。通过分析相应的临界场，团队构建了双层NbSe₂的磁场-温度相图。在反常金属态区域，纵向电阻变为有限值，而霍尔电阻为零，表明其具有粒子-空穴对称性，源自局域库珀对构成的超导涨落。与此相对，块体样品中纵向电阻与霍尔电阻几乎在同一场强下变为有限值，表明不存在反常金属态。

图2. (a) 不同厚度样品超导态的拉曼光谱。(b) 双层及块体样品希格斯模谱权重与纵向电阻温度依赖对比。(c) 双层及块体样品希格斯模谱权重与纵向、霍尔电阻磁场依赖对比。

团队进一步利用拉曼光谱技术深入研究了该体系的超导希格斯模（图2）。希格斯模是一种源自超导序参量幅值涨落的集体激发模式，可通过与电荷密度波振幅模的耦合而被赋予拉曼活性，是超导性质的灵敏探针。实验首次确立了原子薄层NbSe₂中的希格斯模，并进一步发现其在反常金属态对应的整个磁场范围内存在，提供了超导涨落的谱学证据。令人惊讶的是，尽管原子薄层样品的超导态更脆弱且临界场更低，其希格斯模却能维持到更高的约化磁场，展示了反常金属态中超导涨落的鲁棒性。这一结果为理解二维超导体中磁场诱导的反常金属态提供了新视角。该工作中建立的希格斯模显微谱学方法预期对于研究其他二维超导与电荷密度波共存体系具有普适意义。

该成果以“Unveiling Resilient Superconducting Fluctuations in Atomically Thin NbSe₂ through Higgs Mode Spectroscopy”为题发表于《Physical Review Letters》。论文被选为“编辑推荐”，并在美国物理学会《Physics Magazine》上以“Strong Hints of a Bose Metal”为题进行推介。南京大学物理学院博士研究生杜煜、博士后刘敢与硕士毕业生阮伟为论文共同第一作者，奚啸翔教授为论文通讯作者。南京大学李建新教授参与了实验结果的讨论，刘荣华教授协助了器件的制备。日本国立材料研究所Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe课题组提供了氮化硼晶体。该工作得到了国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金的资助，以及南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省物理科学研究中心的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.066002