分层准一维Nb2PdS5超导体中量子相位滑动的特征

《ACS Nanoscience Au》：Signature of Quantum Phase Slips in a Layered Quasi-One-Dimensional Nb2PdS5 Superconductor

量子相位滑移主导的Nb?PdS?纳米线超导行为：通过FIB减薄制备的准一维纳米线，观察到临界场各向异性（平行场73.3 T超Pauli极限11.96 T）和离散电压阶跃，证实量子相位滑移（QPS）在低维系统中主导超导传输特性。

　　量子相滑移（Quantum Phase Slips, QPSs）是理解一维（1D）超导体系中超导性崩溃的关键机制之一，特别是在强量子涨落和无序环境下。这项研究通过实验观察到量子相滑移现象在准一维的Nb?PdS?纳米线中的出现，揭示了其在超导性衰减中的重要作用。研究结果表明，当纳米线宽度小于磁穿透深度时，其超导转变温度（Tc）显著变宽，这一行为与量子相滑移理论模型相吻合。此外，研究还展示了在磁场方向与电流方向平行（B//I）时，上临界磁场（Bc2）达到约73.3特斯拉，远超Pauli极限（约11.96特斯拉），进一步支持了量子相滑移在其中的主导作用。电流-电压（I-V）特性显示，在超导态向正常态转变过程中出现了离散的电压台阶，这进一步验证了量子相滑移事件的发生。同时，随着纳米线宽度的减小，临界电流（Ic）的减少也提供了量子相滑移的实验特征。

研究还探讨了量子相滑移与材料特性之间的关系。Nb?PdS?是一种新型的准一维过渡金属硫化物超导材料，其独特的电子结构和强自旋轨道耦合效应使其具有非常高的上临界磁场，远超传统超导材料的Pauli极限。这种现象被认为是由多带效应和极端无序条件下的电子结构相互作用所导致。纳米线在晶体学b轴方向生长，这种结构使其成为研究相滑移的理想对象。研究通过微机械剥离技术，使用Scotch胶带辅助方法，制备了结构和成分均质的纳米线。实验发现，当纳米线宽度减少至0.5微米时，其超导转变温度（Tc）明显变宽，而正常态电阻则随宽度减小而增加，这与量子相滑移行为相符。此外，纳米线的正常态电阻表现出对磁场方向的高度依赖性，这与其在平行磁场下的强各向异性有关。

在实验细节方面，研究采用了多种先进的技术手段，包括电子束光刻、聚焦离子束（FIB）刻蚀以及透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）等，以确保纳米线的高质量制备和表征。通过这些技术，研究团队成功地制备了不同宽度的纳米线样品，并对其进行了系统的电输运测量。实验结果显示，当纳米线宽度减小至500纳米时，其电阻表现出显著的量子相滑移特征，包括多个离散的电压台阶和临界电流的明显降低。这些现象与理论模型中的量子相滑移行为高度一致，表明量子相滑移在准一维超导体系中具有重要的影响。

在理论分析方面，研究引入了量子相滑移模型，并结合实验数据进行拟合。结果表明，量子相滑移模型能够较好地解释实验中观察到的电阻行为，特别是在低温区域。量子相滑移的速率依赖于纳米线的横截面积、材料参数和温度，且其影响在较细的纳米线中更为显著。此外，研究还分析了临界电流（Ic）随温度的变化，发现其在不同宽度的纳米线中表现出不同的温度依赖性。当纳米线宽度减小至500纳米时，Ic的温度依赖性指数（s）显著变化，进一步支持了量子相滑移在超导性衰减中的主导作用。

综上所述，这项研究通过实验和理论分析，揭示了量子相滑移在准一维Nb?PdS?纳米线中的重要性。结果表明，量子相滑移不仅影响超导转变温度的展宽，还导致临界电流的显著降低，这些现象为理解低维超导材料的输运行为提供了新的视角。同时，研究还强调了量子相滑移在超导纳米线设计和应用中的潜在价值，特别是在开发基于量子相滑移效应的新型量子器件方面。这些发现不仅深化了我们对低维超导材料的理解，也为未来在量子计算和量子传感等领域的应用提供了重要的理论和实验基础。