非常规的超导临界现象

最近一篇发表在《自然物理学》的论文报道了单层WTe2中的超导量子相变，它是一种由载流子浓度驱动的连续的相变过程，它涉及到超导相和激子绝缘体相之间的转变。作者使用了奈恩斯效应来探测超导涨落，发现了一种异常的奈恩斯效应，它表明单层WTe2中的超导量子临界现象是非常规的，它和一般的超导理论有很大的不同。这种非常规的超导量子临界现象可能是由于单层WTe2中存在一种非常强的量子涨落所导致的，这种量子涨落可能和激子绝缘体相和拓扑边缘态有关。

单层WTe2是什么

首先，我们要知道单层WTe2是一种二维材料，它是由一个钨原子层和两个碲原子层交替堆叠而成的。这种材料有很多有趣的性质，比如它是一种量子自旋霍尔绝缘体，也就是说它在内部是不导电的，但是在边缘有一对反向旋转的电子态，可以无损地传输电流。这种边缘态是由材料的拓扑性质决定的，和材料的细节无关，所以它们很稳定，不受杂质或缺陷的影响。这种拓扑边缘态有很多潜在的应用，比如量子计算和低功耗电子器件。

另外，单层WTe2还有一个特殊的性质，就是它在电荷中性点附近可能会形成一种叫做激子绝缘体的相。激子绝缘体是一种由电子和空穴之间的相互吸引而形成的复合玻色子所组成的绝缘体。这种相的存在是由于单层WTe2的电子结构非常对称，导致电子和空穴的能带在费米能级附近相交，形成一个叫做电子口袋和空穴口袋的能带结构。这种结构使得电子和空穴之间的库仑相互作用变得很强，从而导致它们结合成激子。这种激子绝缘体的相可以通过一些实验手段来探测，比如光谱和电输运。

单层WTe2中的超导量子相变

现在，我们来看看单层WTe2中的超导现象。超导是一种物质在低温下电阻消失的现象，它是由电子之间的相互吸引而形成的库珀对所导致的。库珀对是一种由两个反向动量和反向自旋的电子所组成的复合玻色子，它们可以在一个叫做超导能隙的能量范围内无阻碍地流动。超导能隙是超导体的一个重要参数，它决定了超导体的临界温度和临界磁场，也就是超导体失去超导性的温度和磁场。

单层WTe2是一种非常特殊的超导体，它的超导能隙和超导临界温度都非常低，而且它们都随着载流子浓度的改变而改变。这意味着我们可以通过调节载流子浓度来控制单层WTe2的超导性质。当载流子浓度增加时，超导能隙和超导临界温度都随之增加，而当载流子浓度降低到一个临界值时，超导能隙和超导临界温度都突然变为零，超导性消失，材料变成了一个激子绝缘体。这就是一个由载流子浓度驱动的超导量子相变，也就是说，一个由量子涨落主导的连续的相变过程。

单层WTe2中的奈恩斯效应

要研究单层WTe2中的超导量子相变，我们需要一种能够探测超导涨落的实验手段。这里，作者使用了一种叫做奈恩斯效应的方法。奈恩斯效应是指当一个材料放在一个垂直的磁场中，并且沿着一个方向施加一个温度梯度时，在垂直于这两个方向的方向上会产生一个电压信号。这个电压信号是由于磁场中的磁通量管（也就是超导体中的涡旋）在温度梯度的作用下发生移动而产生的。磁通量管是一种由一个量子化的磁通量和一个正常态核心所组成的拓扑缺陷，它们在超导体中形成一个三角形的晶格结构。当温度梯度存在时，磁通量管会从高温区域向低温区域移动，因为低温区域的超导能隙更大，磁通量管的能量更低。这种移动会导致一个相位滑移，从而在垂直方向上产生一个电压信号，这就是奈恩斯电压。

奈恩斯效应可以用来探测超导涨落，因为即使在正常态，也会有一些短暂的超导相干态的形成，这些相干态会在磁场中形成一些短寿命的磁通量管，它们也会在温度梯度下发生移动，从而产生一个奈恩斯电压。这种奈恩斯电压反映了超导涨落的强度，它会随着温度或磁场的增加而减小，因为超导相干态的寿命会变短。因此，通过测量奈恩斯电压，我们可以了解超导体中的超导涨落的行为，特别是在接近超导相变点的时候。

单层WTe2中的异常奈恩斯效应

作者在单层WTe2中测量了奈恩斯效应，发现了一些非常有趣的结果。他们发现，在超导相变点附近，奈恩斯电压出现了一个非常奇怪的行为，它随着温度的降低而增加，而不是减小。这意味着，在超导相变点附近，超导涨落的强度反而增强了，而不是减弱了。这是一个非常反常的现象，它违背了一般的超导理论的预测，也和其他超导体的实验结果不一致。作者认为，这种异常的奈恩斯效应是由于单层WTe2中存在一种非常特殊的超导量子临界现象，它和一般的超导量子临界现象有很大的不同。

要理解单层WTe2中的超导量子临界现象，我们需要先了解一般的超导量子临界现象。一般的超导量子临界现象是指当一个超导体在一个固定的载流子浓度下，通过改变温度或磁场来接近超导相变点时，会出现一些普遍的规律，比如超导能隙、超导临界温度、超导临界磁场、超导涨落等物理量都会服从一些幂律的关系，这些幂律的指数都是由一个叫做超导量子临界指数的参数决定的。这个参数反映了超导相变的本质，它和超导体的维度、对称性、相互作用等因素有关。一般的超导量子临界指数是一个有限的正数，它的值通常在0.5到1之间，这意味着当接近超导相变点时，超导能隙、超导临界温度、超导临界磁场、超导涨落等物理量都会快速地趋于零，而不会突然消失。
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然而，单层WTe2中的超导量子临界现象却不遵循这样的规律，它表现出了一种非常规的超导量子临界现象。作者通过拟合实验数据，发现单层WTe2中的超导量子临界指数是一个无穷大的负数，也就是说，当接近超导相变点时，超导能隙、超导临界温度、超导临界磁场、超导涨落等物理量都不会趋于零，而是会突然消失，就像一个第一级相变一样。这种非常规的超导量子临界现象是非常罕见的，它表明单层WTe2中的超导相变是由一种非常强的量子涨落所主导的，这种量子涨落可能来自于激子绝缘体相的存在，也可能来自于拓扑边缘态的影响，或者是两者的结合。这种非常规的超导量子临界现象给我们提供了一个研究二维超导体中新奇的量子相变的机会，也给我们展示了单层WTe2这种多功能的材料的更多的可能性。