10月11日，《自然･通讯》（Nature Communication）在线刊发了我院付英双教授领导的低维物理与量子材料实验室团队的最新研究成果【Nat.Commun.15, 8797 (2024)】，文章题为《范德华异质结中的人工超导近藤晶格》(Artificial superconducting Kondo lattice in a van der Waals heterostructure）。该工作与北京师范大学黄兵研究员课题组、中国人民大学俞榕教授课题组和中国科学院固体物理研究所的孙玉平研究员课题组合作完成。我院博士生范凯（2015级本科生）为共同第一作者，付英双教授为论文的通讯作者，华中科技大学为第一单位。
周期性排列的局域磁矩与传导电子之间的相干自旋屏蔽形成了近藤晶格，这一过程导致局域磁矩的退局域化和低能电子有效质量的增强，是理解重费米子强关联体系的理论模型。在近藤晶格中，局域近藤屏蔽和局域磁矩间的交换耦合作用相互竞争导致了多种有趣的关联量子物态。但是传统的重费米子材料是具有高度局域化的f电子体系的三维体材料化合物，其复杂的晶格结构为理解重费米子物理机制带来了困难。低维范德华材料的最新研究进展表明，重费米子也可以存在于d 电子系统中，其晶格结构简单可控，这有助于加深对近藤晶格物理的理解。更重要的是，范德华材料可以构建异质结，从而在近藤晶格中方便地引入新的功能，为人工构建功能化的近藤晶格系统提供了可能。
图1.√3×√3VSe2的形貌和原子结构
付英双教授研究团队通过长期探索分子束外延生长条件，精细调控生长动力学，最终在块材2H-NbSe2表面生长出单层1T-VSe2，成功实现了人工近藤晶格/超导体异质结的构建。扫描隧道显微镜测量结合第一性原理计算表明，VSe2/NbSe2异质结间隙中均匀插入了1/3层的V原子，从而在单层VSe2中形成了√3×√3周期的新电荷密度波（CDW）相（图1），并打开了约155 meV的CDW能隙。插层V原子与单层VSe2中的V原子为系统提供了局域磁矩阵列，结合VSe2表面测量到的空间均匀分布的近藤共振峰，预示了近藤晶格的形成。温度和磁场依赖性的实验进一步证实了共振峰的近藤起源，并通过半峰宽的拟合，得到了近藤温度为Tk~44 K（图2）。除了近藤共振谱，在一些大尺寸VSe2岛上还测量到了明显的杂化能隙谱，两种特征谱的区别来源于局部应变对两条隧穿路径比率的调节，并被不同隧穿比值下的共隧穿模型成功重现，明确证实了近藤晶格的形成。
图2.近藤共振的温度与磁场依赖性，以及空间均匀性。
此外，在单层VSe2表面还测量到一个超导能隙，这来源于超导2H-NbSe2衬底的超导近邻效应。VSe2的近邻超导能隙呈现出与衬底相似的形状，能隙大小有所减小，但相干峰强度却略有增强，导致其形状不能用传统的BCS模型完美拟合。通过考虑重电子参与超导配对的有效近藤晶格模型，成功复现了实验中的近邻超导能隙特征，重电子带的杂化性质导致了相干峰的谱权重增加（图3）。
图3.√3×√3VSe2的近邻超导能隙
这项工作不仅实现了范德华材料中的近藤晶格构建，丰富了不同材料中的人工重费米子体系，为构建近藤晶格系统提供了新的思路；还成功通过近邻效应在近藤晶格中引入了超导性，为深入研究超导凝聚与重费米子液体之间的相互作用提供了实验平台。本工作是继团队在单层1T-NbSe2体系中引入周期性空位缺陷实现准一维近藤晶格【Nat. Commun.15, 1039 (2024)】后的又一进展。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53166-9
