中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心研究員田明亮課題組和張昌錦課題組合作在單晶超導(dǎo)納米線的超導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果在線發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)Nano Letters 上。

長(zhǎng)期以來(lái)準(zhǔn)一維超導(dǎo)體的超導(dǎo)—絕緣體轉(zhuǎn)變（SIT）研究一直吸引著很多關(guān)注，但是對(duì)控制SIT這種轉(zhuǎn)變的機(jī)理還存在爭(zhēng)論。因?yàn)樵谶^去的研究中，國(guó)際上大多采用熱蒸發(fā)的方法制備納米條帶技術(shù)，基本上是研究單元素或二元合金超導(dǎo)體材料，不同形貌的納米線（顆粒狀、多晶、非晶等）呈現(xiàn)出截然不同的SIT轉(zhuǎn)變過程。因此利用單晶超導(dǎo)納米線開展本征的SIT研究對(duì)澄清這個(gè)問題很有幫助，但制備截面積可控的單晶超導(dǎo)納米線非常困難，國(guó)際上一直沒有大的進(jìn)展。最近田明亮課題組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：其SIT是由納米線截面積來(lái)控制而不是目前普遍認(rèn)為的正常態(tài)電阻達(dá)到一個(gè)普適量子電阻來(lái)控制。

Nb2PdS5是近期發(fā)現(xiàn)的一種新型準(zhǔn)一維超導(dǎo)體，其晶體由準(zhǔn)一維金屬鏈堆垛而成，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在7.5 K，是研究準(zhǔn)一維超導(dǎo)電子結(jié)構(gòu)的理想體系（Yu et al., JACS 135, 12987 (2013) ）。研究發(fā)現(xiàn)，即使直徑較粗的納米線（~300nm）也表現(xiàn)出一維輸運(yùn)特征，例如I-V曲線上出現(xiàn)與長(zhǎng)度有關(guān)的臺(tái)階等。而隨著納米線逐漸從300nm減小到100nm，納米線超導(dǎo)電性逐漸變?nèi)醪⒆罱K變?yōu)榻^緣體。有趣的是出現(xiàn)SIT時(shí)的納米線直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論期待的超導(dǎo)相干長(zhǎng)度（～5.4 nm），且轉(zhuǎn)變前的正常態(tài)電阻也小于理論期待的量子電阻。而在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，超導(dǎo)納米線也表現(xiàn)出類似的SIT轉(zhuǎn)變。這些納米線的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變過程沒有表現(xiàn)出量子相移（QPS）隧穿行為，而是能夠被熱激活的相移理論（TAPS）來(lái)描述。這些結(jié)果表明在準(zhǔn)一維系統(tǒng)中，由于尺寸收縮而提高的庫(kù)倫相互作用與金屬鏈間的約瑟夫森相互作用之間的競(jìng)爭(zhēng)在SIT中起著非常重要的作用。相關(guān)的結(jié)果為深入理解超導(dǎo)納米線相變過程及其實(shí)際應(yīng)用中開發(fā)超導(dǎo)電子器件提供了重要的信息。

該項(xiàng)研究獲得科技部“973”項(xiàng)目、基金委國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。