华中科技大学强磁场中心李靖教授团队在二维超导非线性输运研究取得重要进展

（通讯员 刘雯君）7月29日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了国家脉冲强磁场科学中心李靖教授团队题为“二维渗流超导体中的三阶非线性输运”（Third-Order Nonlinear Transport in a Percolative Two-Dimensional Superconductor）的论文。该成果在二维MoTe₂超导体中观测到显著的三阶非线性输运信号，并揭示了其与超导涨落的紧密关联。中心博士生刘雯君、物理学院本科生王成鹤为论文共同第一作者，中心张骁骁教授、李靖教授为论文共同通讯作者，博士生李秀斌、张涛副研究员参与了本项工作，日本国立材料科学研究所Kenji Watanabe博士、Takashi Taniguchi博士合作提供了高质量hBN晶体。

非线性输运效应是探索材料新奇物理性质的重要手段。通常情况下，霍尔信号的产生依赖于外加磁场，而非线性霍尔效应即使在零磁场下也能出现，其物理起源涉及能带拓扑性质、杂质散射、电子-电子相互作用等多种机制。近期，量子霍尔系统中观测到的三阶非线性霍尔响应被归因于强烈的电子-电子相互作用，凸显了多体关联在非线性输运中的核心作用。在二维范德华超导体中，维度降低和量子涨落增强导致了宽泛的超导相变区域，这为探索强关联体系中的高阶非线性现象提供了理想平台。

针对这一方向，研究团队采用改良的干法转移技术制备了高质量的双栅极调控三层MoTe₂微纳器件，并开展了系统的电输运测量。常规输运表征明确了该体系在低温下的超导特性，确定了临界温度与临界磁场等关键参数。在此基础上，团队系统测量了不同温度、磁场和栅压条件下的高阶非线性输运响应，发现三阶纵向非线性信号与超导态之间存在高度一致的对应关系：该信号随温度升高而减弱，在超导转变温度附近趋于消失；随垂直磁场增大同样被逐步抑制，并在上临界场处完全消失。这一系列结果表明，三阶非线性输运信号能够灵敏地反映超导态及其演化过程。

（a）器件结构示意图；（b）降温过程中的超导临界转变，插图：器件显微光学图像；（c）不同垂直磁场下的超导相变演化；（d）不同温度下的三阶V-I曲线；（e）不同垂直磁场下的三阶V-I曲线；（f）三阶纵向电阻的理论预测与实验测量对比（2K左右的强涨落温度区间为定量理论的适用区域）。

为阐明这一非线性信号的物理起源，团队基于含时金兹堡-朗道理论，在超导涨落框架下进行了理论计算。结果表明，非线性输运源于动态涨落的库珀对与正常电子的耦合作用。在涨落主导的温度窗口内，理论预测与实验观测实现了半定量的一致性，且这一机制并不依赖于特定材料的能带结构特征，而是反映了二维渗流超导体的一般特性。该研究不仅建立了一种探测超导相干性和涨落过程的新方法，也为理解低维超导体中的电子关联效应提供了新的视角。同时，三阶非线性输运有望成为一种普适性的灵敏探针，应用于更广泛的量子材料体系。

该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金及武汉基础研究知识创新计划等项目的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/jcrm-953w

编辑：范千

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