最近一篇發(fā)表在《自然物理學》的論文報道了單層WTe2中的超導量子相變，它是一種由載流子濃度驅動的連續(xù)的相變過程，它涉及到超導相和激子絕緣體相之間的轉變。作者使用了奈恩斯效應來探測超導漲落，發(fā)現了一種異常的奈恩斯效應，它表明單層WTe2中的超導量子臨界現象是非常規(guī)的，它和一般的超導理論有很大的不同。這種非常規(guī)的超導量子臨界現象可能是由于單層WTe2中存在一種非常強的量子漲落所導致的，這種量子漲落可能和激子絕緣體相和拓撲邊緣態(tài)有關。

單層WTe2是什么

首先，我們要知道單層WTe2是一種二維材料，它是由一個鎢原子層和兩個碲原子層交替堆疊而成的。這種材料有很多有趣的性質，比如它是一種量子自旋霍爾絕緣體，也就是說它在內部是不導電的，但是在邊緣有一對反向旋轉的電子態(tài)，可以無損地傳輸電流。這種邊緣態(tài)是由材料的拓撲性質決定的，和材料的細節(jié)無關，所以它們很穩(wěn)定，不受雜質或缺陷的影響。這種拓撲邊緣態(tài)有很多潛在的應用，比如量子計算和低功耗電子器件。

另外，單層WTe2還有一個特殊的性質，就是它在電荷中性點附近可能會形成一種叫做激子絕緣體的相。激子絕緣體是一種由電子和空穴之間的相互吸引而形成的復合玻色子所組成的絕緣體。這種相的存在是由于單層WTe2的電子結構非常對稱，導致電子和空穴的能帶在費米能級附近相交，形成一個叫做電子口袋和空穴口袋的能帶結構。這種結構使得電子和空穴之間的庫侖相互作用變得很強，從而導致它們結合成激子。這種激子絕緣體的相可以通過一些實驗手段來探測，比如光譜和電輸運。

單層WTe2中的超導量子相變

現在，我們來看看單層WTe2中的超導現象。超導是一種物質在低溫下電阻消失的現象，它是由電子之間的相互吸引而形成的庫珀對所導致的。庫珀對是一種由兩個反向動量和反向自旋的電子所組成的復合玻色子，它們可以在一個叫做超導能隙的能量范圍內無阻礙地流動。超導能隙是超導體的一個重要參數，它決定了超導體的臨界溫度和臨界磁場，也就是超導體失去超導性的溫度和磁場。

單層WTe2是一種非常特殊的超導體，它的超導能隙和超導臨界溫度都非常低，而且它們都隨著載流子濃度的改變而改變。這意味著我們可以通過調節(jié)載流子濃度來控制單層WTe2的超導性質。當載流子濃度增加時，超導能隙和超導臨界溫度都隨之增加，而當載流子濃度降低到一個臨界值時，超導能隙和超導臨界溫度都突然變?yōu)榱悖瑢韵В牧献兂闪艘粋€激子絕緣體。這就是一個由載流子濃度驅動的超導量子相變，也就是說，一個由量子漲落主導的連續(xù)的相變過程。

單層WTe2中的奈恩斯效應

要研究單層WTe2中的超導量子相變，我們需要一種能夠探測超導漲落的實驗手段。這里，作者使用了一種叫做奈恩斯效應的方法。奈恩斯效應是指當一個材料放在一個垂直的磁場中，并且沿著一個方向施加一個溫度梯度時，在垂直于這兩個方向的方向上會產生一個電壓信號。這個電壓信號是由于磁場中的磁通量管（也就是超導體中的渦旋）在溫度梯度的作用下發(fā)生移動而產生的。磁通量管是一種由一個量子化的磁通量和一個正常態(tài)核心所組成的拓撲缺陷，它們在超導體中形成一個三角形的晶格結構。當溫度梯度存在時，磁通量管會從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域移動，因為低溫區(qū)域的超導能隙更大，磁通量管的能量更低。這種移動會導致一個相位滑移，從而在垂直方向上產生一個電壓信號，這就是奈恩斯電壓。

奈恩斯效應可以用來探測超導漲落，因為即使在正常態(tài)，也會有一些短暫的超導相干態(tài)的形成，這些相干態(tài)會在磁場中形成一些短壽命的磁通量管，它們也會在溫度梯度下發(fā)生移動，從而產生一個奈恩斯電壓。這種奈恩斯電壓反映了超導漲落的強度，它會隨著溫度或磁場的增加而減小，因為超導相干態(tài)的壽命會變短。因此，通過測量奈恩斯電壓，我們可以了解超導體中的超導漲落的行為，特別是在接近超導相變點的時候。

單層WTe2中的異常奈恩斯效應

作者在單層WTe2中測量了奈恩斯效應，發(fā)現了一些非常有趣的結果。他們發(fā)現，在超導相變點附近，奈恩斯電壓出現了一個非常奇怪的行為，它隨著溫度的降低而增加，而不是減小。這意味著，在超導相變點附近，超導漲落的強度反而增強了，而不是減弱了。這是一個非常反常的現象，它違背了一般的超導理論的預測，也和其他超導體的實驗結果不一致。作者認為，這種異常的奈恩斯效應是由于單層WTe2中存在一種非常特殊的超導量子臨界現象，它和一般的超導量子臨界現象有很大的不同。

要理解單層WTe2中的超導量子臨界現象，我們需要先了解一般的超導量子臨界現象。一般的超導量子臨界現象是指當一個超導體在一個固定的載流子濃度下，通過改變溫度或磁場來接近超導相變點時，會出現一些普遍的規(guī)律，比如超導能隙、超導臨界溫度、超導臨界磁場、超導漲落等物理量都會服從一些冪律的關系，這些冪律的指數都是由一個叫做超導量子臨界指數的參數決定的。這個參數反映了超導相變的本質，它和超導體的維度、對稱性、相互作用等因素有關。一般的超導量子臨界指數是一個有限的正數，它的值通常在0.5到1之間，這意味著當接近超導相變點時，超導能隙、超導臨界溫度、超導臨界磁場、超導漲落等物理量都會快速地趨于零，而不會突然消失。

然而，單層WTe2中的超導量子臨界現象卻不遵循這樣的規(guī)律，它表現出了一種非常規(guī)的超導量子臨界現象。作者通過擬合實驗數據，發(fā)現單層WTe2中的超導量子臨界指數是一個無窮大的負數，也就是說，當接近超導相變點時，超導能隙、超導臨界溫度、超導臨界磁場、超導漲落等物理量都不會趨于零，而是會突然消失，就像一個第一級相變一樣。這種非常規(guī)的超導量子臨界現象是非常罕見的，它表明單層WTe2中的超導相變是由一種非常強的量子漲落所主導的，這種量子漲落可能來自于激子絕緣體相的存在，也可能來自于拓撲邊緣態(tài)的影響，或者是兩者的結合。這種非常規(guī)的超導量子臨界現象給我們提供了一個研究二維超導體中新奇的量子相變的機會，也給我們展示了單層WTe2這種多功能的材料的更多的可能性。