國際著名物理學術期刊Physical Review Letters（《物理評論快報》）線上發表了武漢大學物理科學與技術學院張晨棟教授關於有機分子磁性、超導異質結的重要研究進展。
論文題為“PTCDA Molecular Monolayer on Pb Thin Films: An Unusual π-Electron Kondo System and Its Interplay with a Quantum-Confined Superconductor”（《鉛薄膜上的PTCDA單分子層：一種不尋常的π-電子近藤體系及其與量子受限超導體的相互作用》）。物理科學與技術學院盧雙贊博士為論文第一作者，張晨棟教授和美國得克薩斯大學奧斯汀校區Chih-Kang Shih教授為通訊作者,武漢大學物理科學與技術學院為論文第一署名單位。
磁性和超導這兩種相互排斥的物理性質間近鄰雜化會展現出多種新奇的量子現象。迄今為止，實驗探索的超導-磁性體系中，其磁性主要來自過渡金屬原子中未配對的d/f電子。與它們相比，π-電子具有更大的自旋關聯長度和超精細的自旋-軌道耦合特徵，表現出截然不同的行為。由此，π-電子構築的磁性（條件苛刻，迄今只報告了極少的例子）吸引了人們極大的興趣，實驗上π-電子磁性還從未同超導體結合起來探究過。另外，對於π-電子磁性系統，當前缺乏有效調製磁偶極矩濃度、磁相互作用強度的方法，極大地限制了人們對π-電子磁性系統新奇物性的深入的探究。
圖：鉛薄膜上PTCDA單分子層形成不同轉角的莫爾超晶格；近藤共振峰和超導能隙內的束縛態展現出莫爾調製特徵；PTCDA單分子層與厚度22/23 ML鉛超導薄膜雜化後對有效超導序參量的顯著調控
在該工作中，實驗人員透過在超薄的超導鉛薄膜上沉積有機分子PTCDA單分子層構築出一種全新的磁性-超導雜化體系。雖然這兩種材料都沒有磁性，但雜化後PTCDA分子層因為介面電荷轉移形成單佔據的分子軌道存在淨自旋磁矩。由於PTCDA分子膜中π-電子磁矩的非局域化特性，費米能級附近的近藤共振態和超導能隙內的束縛態都顯示出完全不同於基於f/d-電子磁矩體系的電子行為，展現出二維關聯的電子譜學特徵。更有趣的是，PTCDA單分子層在鉛薄膜上形成旋轉角度可調的莫爾超晶格為探究近藤遮蔽與超導相互作用的提供了難得的調製機會。
另外，該工作發現，不同原子厚度的鉛薄膜自身的量子限域效應對介面電荷轉移、偶極矩濃度和超導序參量等展現出意想不到的調製效應。
該工作第一次將π-電子磁矩、低維超導體、近藤遮蔽、轉角莫爾調製以及量子限域效應等元素的整合實現在一個簡單系統裡，提供了一個靈活調控的量子材料平臺。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、中科院戰略性先導科技專項的支援。
來源：武漢大學
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https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.186805
