无序对二维超导薄膜中量子相变的影响

Quenched disorder can have profound effects on phase transitions. One of the most striking is the so-called Griffiths singularity. The Griffith singularity in phase transitions, caused by the disorder effect was predicted in theory more than 40 years. Its signature, the divergence of the dynamical critical exponent, is challenging to observe experimentally. In recent works, the applicant's research group firstly found quantum Griffiths singularity in two-dimensional superconducting Gallium films, and confirmed this observation in another two-dimensional superconducting system, interface superconductor. To explore the effect of disorder on quantum phase transition, this project intends to carry out the following plans. (1) Sample preparation: NbSe2, Titanium Nitride films and so on. By controlling the growth conditions, high quality samples with controllable thickness and disorder can be obtained. (2) When the films are superconducting, we then mainly focus on the effect of disorder on superconductor-insulator (metal) transition in two-dimensional superconducting films. This project intends to explore the effect of quantitative disorder on quantum phase transition in low-dimensional superconducting system for the first time. In summary, two research innovations are displayed in this project. On the one hand, we can get a better understanding the physics of quantum phase transitions in two-dimensional superconducting systems. On the other hand, this research can also provide the experimental proof to early studies on quantum phase transition under disorder.

淬火无序对相变有着重要的影响，其中最引人注目的就是格里菲斯奇异性。由系统无序所引发的相变中的格里菲斯奇异点早已在理论上被预言。然而，在实验上观测到最直接的证据——动力学临界指数发散，非常具有挑战性。在前期工作中，申请人所在研究组首次在二维超导镓薄膜中发现了量子格里菲斯奇异性，并在界面超导（二维超导体）中重复验证了上述发现。为了在实验上探索“无序”对量子相变的影响，本项目拟开展如下研究：（1）探索制备更多的超导薄膜，如二硒化铌、氮化钛等，通过调控生长条件来达到厚度和无序度均可控的高质量样品。（2）在薄膜超导的前提下，主要研究“无序”对低维超导材料的超导转变温度及超导-绝缘体（金属）相变的影响。 本项目拟首次在实验上开展定量的“无序”对超导薄膜中量子相变影响的研究，一方面可有助于理解二维超导中的量子相变，另一方面也为存在杂质情况下的量子相变的前期理论研究提供实验上的证据。

拓扑和超导是凝聚态物理中最重要的两大科学问题之一。超导-绝缘体(金属)相变是二维超导薄膜的重要现象，其中无序对相变起到至关重要的影响，可能会引发具有非常规临界行为的量子格里菲斯奇异性。本项目对以下内容展开研究：1). 拓扑材料中的极低温强磁场条件下的电输运特性研究；2). 低维超导中的量子相变研究。2018-2020年期间，在项目的支持下，在低维超导和拓扑材料相关领域以项目负责人邢颖为第一作者发表SCI论文3篇、以通讯作者在中文核心期刊上发表2篇，合作发表SCI论文2篇。代表性进展见下：1). 准一维TaIrTe4晶体的非常规表面超导电性；2). 稀土金属碲化物的巨磁阻和各向异性磁阻效应；3). 分子束外延法制备大面积的NbSe2薄膜中的伊辛超导电性和量子相变。本项目研究是首次在同一体系中同时观测到伊辛超导和量子格里菲斯奇异性；首次发现本征外尔半金属的表面态超导。同时本项目的研究具有潜在重大应用价值，如TaIrTe4具有其独特的三维无能隙线性色散能带结构使得它有很多奇特的性质，有望构筑无耗散或低耗散的电子电路，克服集成电路的发热难题，在节能方面有很大的潜在应用价值。对马约拉纳费米子的观测与应用具有重要的推动作用；TbTe3的巨磁阻效应在存储器等方面也具有广泛的应用。