超导体与半导体的首次接触

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，头图来自：视觉中国

一

超导体是一种在被冷却到超低的温度时，电流可以在电阻为零的情况下通过的材料。如铝、铅等纯金属都可以表现出这种特性。半导体则是一种可以通过施加电压来调整其导电性，从而控制电流的流通或中断的材料。

近年来，半导体与超导体的结合已经成为应用和基础研究中的热门研究领域。这两种材料都具有不同寻常的迷人特性，它们的结合之所以如此吸引科学家的注意，是因为物理学家预计这可以引发新的特性和物理量现象，在经典物理学和量子物理学中都开辟出各种新的应用。

然而这并非一件容易办到的事。到目前为止，还没有人能够成功地将单层半导体材料与超导体结合起来，也自然无法更加深入地研究这些新型材料可能具有怎样的特性。直到现在，在一项新的研究中，瑞士巴塞尔大学的一组研究人员首次成功地将超薄半导体与超导体结合在了一起，并测量了这种新型合成材料的特性。

二

半导体是支撑着当今数字时代的基本构成部分。无论是在计算机、智能手机、电视还是其他移动设备，半导体在电子产品中扮演着核心角色。可以说，如果没有半导体，许多用于生活和工作的设备都将无法使用。目前，大多数关于将半导体和超导体结合在一起的实验研究，都主要是在一维（1D）纳米线的基础上进行的。

为了可以获得更灵活的结构，许多科学家现在已经开始将目光聚焦在二维（2D）半导体上。这些超薄的半导体有望带来一些在其他任何情况下都难以控制的独特特性；而且在这样的半导体单分子层中，还会发生许多复杂的量子力学现象，这些现象有望被应用在量子技术中。

然而可惜的是，适用于进行这类研究的二维半导体材料的数量是非常有限的。不过幸而物理学家已经知道，有一些天然的半导体材料具有很好的单分子层特征，比如在过渡金属二硫属化合物（TMDC）中，就有可能存在具有非常新颖的电子和光学特性的超薄半导体。这些超薄半导体可以被堆叠成三维的晶体，即所谓的范德瓦尔斯异质结构，产生在过去无法想象的新特性。

具有相对较高的迁移率和较大的平均自由程的二硫化钼（MoS₂），就是这样一种很适合用于与超导材料结合的半导体材料。在新研究中，由巴塞尔大学的物理学家Andreas Baumgartner领导的研究团队成功地实现了单层半导体二硫化钼与超导的首次接触。

在实验中，他们采用了一种被称为钼铼合金（MoRe）的超导体作为接触材料。这是一种具有较高临界温度（约6~10K）的超导体。我们知道，在超导状态下，超导体的电子会形成一对一对的，即所谓的库珀对，这些库珀对在晶格中可以无损耗运动，形成超导电流。

单层的二硫化钼（MoS₂）夹在两层氮化硼（hBN）保护层之间，上层则与钼铼合金（MoRe）接触。一层石墨烯（Gate）用于电气控制。｜图片来源：Mehdi Ramezani, Swiss Nanoscience Institute, University of Basel

Baumgartner将超导体和半导体中的电子行为比作为两种奇异的舞蹈。超导体中的库珀对是正在舞蹈的成对的舞伴，他们可以奇妙地在不受任何阻碍的情况下流动；半导体二硫化钼中的电子上演的则是一种完全不同的舞蹈，这种舞蹈也很怪异，并同时融合了它们的磁矩在内。他想知道，通过将超导的钼铼合金与单层的半导体二硫化钼结合，电子会遵循哪种奇异的新舞蹈。

在略高于绝对零度的低温条件下，研究人员通过测量清楚地发现了这种新型结构所表现出的由超导导致的特征。例如在一些特定的能量下，不再存在单个电子。不仅如此，研究人员还发现了半导体层和超导体之间存在强耦合的迹象，形成了超导邻近效应和束缚态的基础。强耦合是一个关键特征，这是物理学家一直期待能够在范德瓦尔斯异质结构中看到的现象，但一直以来没有通过实验证实过。

三

研究人员认为，这样的结构具有很多潜在的创新用途，比如能够用电场控制电子磁性。然而目前，这些潜在的可能还只停留在理论层面，因为科学家还无法知道这些新型材料究竟可以产生怎样的效应，也无从知道可以用它们制造出怎样的设备。

而这也正是这项成果的意义所在，它让进一步的研究和发现提供了机会。新研究的测量结果还显示，这些堆叠的单层半导体甚至还可能与其他更奇特的材料结合一起，进而为更加新颖且意想不到的研究铺平道路。

参考来源：

https://nanoscience.ch/en/2021/07/06/ultrathin-semiconductors-electrically-connected-to-superconductors-for-the-first-time/

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00615

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