姑苏实验室于文龙博士在Nature Physics发表重要成果

发布时间:2024-04-09

2024年4月4日,Nature Physics在线刊发了一项题为“Leggett modes in a Dirac semimetal”的重磅科研成果——在狄拉克半金属中发现了Leggett模式的存在。这一突破性发现为进一步理解量子材料的特殊性质打开了新的大门,为量子物理和凝聚态物理领域的研究带来了新的突破,对开发基于量子材料的新型电子器件具有重要意义。

该研究工作由来自姑苏实验室的于文龙博士作为共同第一作者完成。于文龙现任姑苏实验室系统集成调试工程化平台负责人,致力于超导量子器件和芯片的研究以及超导量子计算系统的集成优化。于文龙拥有中国科技大学的应用物理学士学位和美国佐治亚理工学院的物理博士学位,曾在美国桑迪亚国家实验室和阿里巴巴达摩院从事相关研究工作。他在极低温物理、新型量子材料、拓扑超导、超导量子计算等领域具有深厚的专业积累。

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文章链接:https://doi.org/10.1038/s41567-024-02412-4
该研究工作分析了基于砷化镉(Cd3As2)狄拉克半金属(Dirac semimetal)制备的超导量子干涉仪器件(SQUID)在微波驱动下的极低温测量结果, 发现了与理论预测的Leggett模式特征相吻合的信号,使得砷化镉成为少数几种表现出Leggett 模式的材料,并指出了砷化镉超导态的不寻常多能带特性。这为Leggett 模式的检测和表征开辟了一种新的方法,有望成为未来研究相关量子现象的有力工具,并为理解砷化镉及其他狄拉克半金属材料中的超导性质提供了新的见解。

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Leggett模式对SQUID的Shapiro台阶的影响

水平虚线表示交流信号频率等于Leggett模式的振荡频率的位置。a.在外部磁通Φext = 0条件下。b.在外部磁通Φext ≠ 0条件下。

Leggett模式是源于多能带超导体中不同超导凝聚态之间相对相位的集体振荡。这一概念最早由诺贝尔奖获得者Anthony Leggett在1966年提出。Leggett模式在理解非常规超导体的性质和相变中起着重要作用。对Leggett 模式的实验观测和表征为理解超导的基础物理提供了宝贵见解,并可为新型超导器件和技术的发展做出贡献,但是实验观测Leggett模式极具挑战性。
砷化镉是一种三维狄拉克半金属,具有独特的电子结构,其导带和价带电子在孤立点处相互接触,投影到表面布里渊区后会形成连接狄拉克点的费米弧,而引入超导电性的狄拉克半金属能够实现非阿贝尔任意子(non-Abelian anyons),可用于开发拓扑保护的量子比特和微波单光子探测器。当在砷化镉表面引入超导材料时,砷化镉中会诱导超导配对,并表现为两个超导序参量。该研究采用了一种创新的方法,通过超导近邻效应在砷化镉中实现非常规超导态的前提下,在微波驱动条件下观测到超导量子干涉仪器件的Leggett 模式特征信号,而观测到的Leggett模式正是源于不同能带超导能隙相位差的振荡。

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SQUID微分电阻对微波功率和频率的依赖关系

a.当磁场B = 0 时,在不同微波频率和功率下,微分电阻随Shapiro台阶的变化。b.微波频率f = 9 GHz和磁场B = 0时,在不同功率下测量的微分电阻。c.在外部磁场下,SQUID表现出异常振荡。d.微波频率f = 9 GHz,微波功率为-22dBm时,微分电阻随Shapiro台阶和磁场的变化。e.不同磁场下的Shapiro台阶。f.Shapiro台阶宽度和差分电阻随磁场变化。g.理论计算的Shapiro台阶宽度随磁通变化。

总之,这项工作开创性地将Leggett模式的研究与狄拉克半金属和超导量子器件技术等多个前沿领域相结合,提供了Leggett 模式的独特实验证据,并揭示了狄拉克半金属中超导性质的重要特征。这项跨学科研究对于理解复杂超导体系统的量子现象具有重要意义,也为未来狄拉克半金属等新型量子材料的应用开辟了新的可能性,对基础研究和科技的发展产生重要影响。