Meissner电流与磁涡旋在NbSe2中的相互作用：隧道谱学研究

《Nano Letters》：Interplay of Meissner Currents and Magnetic Vortices in NbSe2 Probed by Tunneling Spectroscopy

　　

绘制薄超导薄膜中的边缘超电流，并分离Meissner电流与涡旋贡献，为理解II型二维超导体的性质提供了重要见解。研究人员对薄层剥离的NbSe₂薄片进行了隧道谱学测量，以探测准粒子态密度（DOS）的Doppler频移，并以5–10 μA/μm的分辨率提取薄片边缘处的电流密度。研究人员观察到在小面外磁场作用下隧道谱出现明显的滞回响应，从而能够对Meissner电流与涡旋电流贡献进行去卷积。通过数值求解London方程，证实了Meissner电流对Doppler频移的孤立贡献。研究结果表明，隧道器件在监测薄超导薄膜中的非平衡态效应和动力学效应方面具有很高的有效性。

**研究背景与目标**：在薄超导薄膜中绘制边缘超电流的空间分布，并将Meissner屏蔽电流与磁涡旋环流贡献加以区分，是理解II型二维超导体的关键。传统方法如扫描霍尔探针、扫描超导量子干涉器件（sSQUID）、氮空位磁力仪和磁光方法均通过测量电流产生的磁场来反推电流分布，而隧道谱学则可直接探测超电流对局域超导性质的影响，即通过准粒子能量的Doppler频移反映电流密度。先前对NbSe₂的隧道谱研究主要针对体材料，其响应受Se原子扩散带的去配对效应主导，难以反映清洁极限下的Doppler物理。本工作采用机械剥离的薄层2H-NbSe₂，其厚度处于Se费米面消失的区域，系统表现为清洁超导体，磁场的主要作用是引起Doppler频移而非去配对。同时，二维几何允许穿透场和电流密度在空间上变化，为在介观尺度上分离Meissner与涡旋贡献提供了可能。

**研究内容与结论**：研究人员构建了以薄层NbSe₂为超导电极、2H-WS₂为隧穿势垒的van der Waals（vdW）隧道异质结，沿薄片边缘放置多个紧密排列的隧道电极，在稀释制冷机极低温下测量微分电导dI/dV，进而提取准粒子态密度。实验中观测到隧道谱在不到10 mT的小面外磁场下呈现明显的磁滞回线行为。通过定义谱隙“出口电压”V_exit，研究人员将总电流分解为线性的Meissner贡献与涡旋贡献，并用London方程的数值解验证了Meissner电流的独立贡献。结果表明，隧道结能够以5–10 μA/μm的电流密度分辨率和约1–2 μV的能量灵敏度监测非平衡和动态超电流效应。该工作发表在《Nano Letters》。

**关键技术方法**：本研究的核心方法是基于vdW堆叠的平面隧道结技术：以机械剥离的薄层NbSe₂（15层和7层）作为超导样品，WS₂作为天然隧穿势垒，利用标准vdW干法转移技术构建多结器件。测量在稀释制冷机中进行，基温约25 mK，通过锁相放大技术记录隧穿微分电导谱。数据处理中采用Tikhonov正则化算法对电极下非均匀电流产生的Doppler频移分布进行去卷积。此外，通过求解London方程（使用SuperScreen数值工具）计算薄片中的Meissner电流密度图，并结合Doppler位移公式提取有效费米速度等参数。

**研究结果**：
- **器件与隧道谱特征**：在零磁场和基温下，15层NbSe₂样品（约10 nm厚）的隧道谱呈现典型的硬间隙和相干峰，超导能隙约为0.8 mV，比体材料的1.2 mV窄，与厚度依赖趋势一致。施加7 mT面外磁场后，准粒子峰被抑制，谱隙明显收窄。V_exit被定义为谱达到20%正常态电导时的偏压，用于定量追踪谱隙随磁场的变化。
- **磁滞响应与四区间行为**：在升场过程中（0→7 mT），V_exit先线性下降（区间I），约至2.5 mT后饱和（区间II）。降场时（7→0 mT），V_exit以比升场时陡约75%的斜率线性回升（区间III），并在约5 mT处恢复零场值，随后保持不变（区间IV）。该行为与磁场方向无关，仅取决于场的幅值变化方向。这一磁滞回线可用Meissner电流与涡旋电流的相互抵消来解释：升场时涡旋进入样品，其环流方向与Meissner电流相反，导致总边缘电流增速变缓；降场时涡旋被钉扎，只剩Meissner电流线性减小，因此斜率更大。
- **场冷却实验**：在5 mT磁场下将样品加热至超导临界温度T_c以上再冷却，由于涡旋已在无势垒条件下预形成，样品达到最小能量电流分布，此时尽管外加磁场仍存在，隧道谱却呈现零场的未Doppler位移形态，证明涡旋与Meissner电流在隧道结下方完全抵消。继续升场至10 mT时，V_exit的斜率从35 μV/mT降至28 μV/mT，与升场过程中Bean–Livingston表面势垒降低、涡旋穿透增强的预期一致。
- **London模型验证**：利用SuperScreen数值求解London方程，计算了薄片中的Meissner电流密度分布。取载流子密度n_s = 1.9×10¹⁹ m^–2，并拟合有效费米速度v_F = 1.05×10⁵ m/s，模型预测的V_exit–H线性能较好复现区间III中junction 1、2、4的实测数据，junction 3的偏差归因于电极下的电流重新分布。该模型还成功解释了数据中离散的V_exit跳变：单涡旋在电极附近穿透会产生类似的跳变，而多个涡旋同时穿透则可解释较大幅度的跳变。

**讨论与结论部分**：研究人员指出，所观测到的磁滞行为源于介观尺度薄片中层内屏蔽长度（约10 μm）与样品尺寸相当的特点，使得Meissner电流和涡旋环流在隧道结下方强烈重叠。隧道结的半局域特性使其对边缘电流高度敏感，而涡旋芯束缚的Caroli–de Gennes–Matricon态对谱的贡献则因远离电极而被平均掉。结合数值模拟，可以严格区分两种电流贡献。结论部分强调：半局域隧道结能够灵敏地响应Meissner电流以及近处和远处的涡旋效应，并实现两种贡献的分离；该方法适用于任何屏蔽长度与样品尺寸相当的清洁极限超导体，不仅限于vdW材料，也可用于载流样品中的Doppler频移测量。