厚剥离Kagome薄膜中实现清洁极限二维超导性：维度调控与CDW相互作用的突破

本文报道了在厚剥离CsV3Sb5 Kagome薄膜中首次观察到清洁极限二维超导（2D SC），通过超流体刚度突变和上临界场（Hc2）角度依赖性尖点特征等实验证据，揭示了维度调控与电荷密度波（CDW）序的协同作用对超导性能的增强机制，为高性能超导器件设计提供了新范式。

　　

1 引言

二维超导（2D SC）研究近一个世纪以来，在铜酸盐、氧化物异质结构和范德瓦尔斯材料等多种体系中取得显著进展。清洁极限系统因其独特的涡旋动力学和低能耗特性，成为实现高性能超导器件的理想平台。然而，原子级薄层的本征不稳定性限制了其实际应用。近年来，Kagome超导体CsV₃Sb₅因其独特的电子结构和拓扑保护狄拉克能带成为研究焦点，为探索清洁极限二维超导提供了新机遇。

2 结果

2.1 电荷密度波与超导表征

CsV₃Sb₅晶体具有P6/mmm空间群结构，由V-Sb Kagome层和Cs层交替堆叠而成。通过机械剥离法制备的30-300 nm厚度薄膜中，超导转变温度（T_c）在40-260 nm范围内达到峰值4.5 K，显著高于块体晶体的2.5 K。60 nm样品同时呈现电荷密度波转变（T_CDW=77 K）和超导转变（T_c=4.47 K），其超导转变宽度较块体晶体更尖锐。

2.2 上临界场的强各向异性与保罗极限超越

在60 nm样品中，面外上临界场（H_c2^c）在零温极限下饱和于1.36 T，对应面内相干长度ξ_ab(0)=15.4 nm。而面内上临界场（H_c2^ab）在T<2 K时超越保罗顺磁极限（H_PL=1.84T_c），零温外推值达11.9 T，超出保罗极限45%。各向异性比（H_c2^ab/H_c2^c）随温度从40变化至9，c轴相干长度ξ_c(0)=1.8 nm接近层间距的两倍。

2.3 穿透深度测定

通过临界电流密度J_c(T)与相干长度ξ(T)的结合分析，直接计算出穿透深度λ(T)。其温度依赖性与s波对称性吻合，超导能隙Δ(0)=2.9k_BT_c（1.1 meV），大于BCS弱耦合极限值。基于H_P=Δ/(√gμ_B)公式的计算表明，超导能隙增大是面内上临界场超越保罗极限的重要原因。

3 清洁极限二维超导性

3.1 清洁极限超导性

清洁度参数ξ_ab/l_ab≤0.14（l_ab≥110 nm），结合3 T以上磁场观察到的显著Shubnikov-de Haas（SdH）量子振荡，证实样品处于清洁极限状态。

3.2 证据一：超流体刚度突变

60 nm薄膜的超流体刚度ρ_s=λ^-2/λ₀^-2在接近T_c时呈现线性急剧下降，与BKT转变理论预测一致。 universal jump关系πρ_s(T_BKT)=2T_BKT给出T_BKT=4.24 K，与V-I特性分析结果吻合。

3.3 证据二：角度依赖H_c2

在3.6 K下测量上临界场角度依赖性，发现明显的尖点状特征。实验数据与2D Tinkham模型（|H_c2(θ)sinθ/H_c2^ab|+|H_c2(θ)cosθ/H_c2^c|=1）高度吻合，而与3D Ginzburg-Landau模型存在显著偏差，为二维超导提供了直接证据。

4 讨论

在厚度达60 nm（相当于70倍层间距、20倍ξ_c）的样品中观察到二维超导，表明其维度特性由电子相互作用而非几何约束主导。这种反常现象源于层间耦合强度的可调性——c轴相干长度减小至纳米尺度使超导电性被限制在二维层面。电荷密度波序的共存可能通过抑制层间相干性进一步增强二维特性，这与铜酸盐中超导与CDW序的相互作用机制相似。

清洁极限二维超导的实现为研究有限动量库珀对提供了新机遇，同时具备实际应用优势：微米级器件尺寸满足电子电路微型化需求，且60 nm薄膜在六个月存储后仍保持超导性能稳定，展现出优异的机械和电子稳定性。

5 结论

本研究通过超流体刚度跳变和上临界场角度依赖性等证据，在厚剥离CsV₃Sb₅薄膜中确证了清洁极限二维超导的存在。这种由SC-CDW相互作用而非尺寸限制引发的维度交叉现象，为量子材料设计提供了新范式。该发现不仅对理解Kagome超导体的维度效应具有重要意义，还为构建异质结和开发高性能超导器件提供了理想平台。

6 实验方法

CsV₃Sb₅单晶采用自助熔剂法合成，通过机械剥离获得纳米薄膜并制备微加工器件。输运测量在Quantum Design PPMS系统完成，使用SR830锁相放大器进行四端电阻测量，Keithley 2450 SourceMeter进行V-I特性测试。数据分析和建模通过Matlab和Mathematica软件实现。