澳媒：超导体与半导体首次成功结合
据澳大利亚科学预警网站7月8日报道，科学家首次成功地将两种激动人心的材料结合在一起：一种是只有一个原子那么厚的超薄半导体，一种是能够以零电阻导电的超导体。
报道称，这两种材料都具有不同寻常和令人着迷的特性。研究人员通过精细的实验室制作过程将它们结合起来。由此，该团队希望在经典物理学和量子物理学领域开辟各种新的应用。
在这项研究中，研究人员取得了一片二硫化钼半导体，并将其添加到制作过程中。
报道指出，超导体能够以完美的效率传输电荷，在某个特定温度（通常是极低的温度）下电流不会转化为热量流失掉。在制作中，研究人员向有关装置中加入了一种名为钼铼的超导体。研究人员希望从他们的组合材料中观察到全新的物理现象。
瑞士巴塞尔大学物理学家安德烈亚斯·鲍姆格特纳说：“在超导体中，电子会像舞蹈中的伙伴那样结成对，从而产生怪异和奇妙的结果，比如电流在没有阻力的情况下流动。”
鲍姆格特纳说：“另一方面，在二硫化钼半导体中，电子会表演完全不同的舞蹈，这是一种奇怪的独舞。现在我们想弄清楚，如果将这些材料组合在一起，电子会跳怎样的新奇舞蹈。”
像该研究中所使用的这类超薄半导体目前是研究人员的一个热门研究课题：它们可以结合在一起，以形成全新的合成材料，被称为“范德瓦尔斯异质结构”。
这些结构有很多潜在的创新用途，比如能够用电场控制电子磁性。然而，很多这些潜力仍是理论上的，因为科学家不知道它们将会产生什么效应，也不知道它们能够制造什么设备。正因为如此，成功创造这种最新组合非常重要。
在这个最新的组合中，当把材料冷却到略高于绝对零度，研究团队发现了半导体层与超导体之间存在强耦合（即称为邻近效应的相互作用）的证据。
巴塞尔大学物理学家迈赫迪·拉米扎尼说：“强耦合是这些新的令人兴奋的物理现象中的关键因素，我们期待在这类范德瓦尔斯异质结构中看到这些现象，却从未能够证明。”
鉴于过去还没有人做到过，正如你所预料的，将半导体同超导体连结起来并不容易。半导体被放置在夹心层中，上面和下面都有绝缘层，而绝缘层顶部蚀刻的孔会提供电气接触通道。
超导材料会填满这些孔留下的缺口，这一过程是在一个充满氮气的小箱内完成的，以保护已经完成的系统不受损伤。研究人员在光学显微镜下使用遥控显微操作器完成制造。
鲍姆格特纳说：“我们的测量结果显示，制成这些混合式单层半导体元件确实是可能的——或许与其他更奇异的接触材料相结合也是可能的，这将为人们进一步认识有关现象铺平道路。”
这项研究发表在美国《纳米通讯》月刊上。
来源：参考消息网
超导体与半导体的首次接触
超导体 是一种在被冷却到超低的温度时，电流可以在电阻为零的情况下通过材料。如铝、铅等纯金属都可以表现出这种特性。半导体 则是一种可以通过施加电压来调整其导电性，从而控制电流的流通或中断的材料。
近年来，半导体与超导体的结合已经成为应用和基础研究中的热门研究领域。这两种材料都具有不同寻常的迷人特性，它们的结合之所以如此吸引科学家的注意，是因为物理学家预计这可以引发新的特性和物理量现象，在经典物理学和量子物理学中都开辟出各种新的应用。
然而这并非一件容易办到的事。到目前为止，还没有人能够成功地将单层半导体材料与超导体结合起来，也自然无法更加深入地研究这些新型材料可能具有怎样的特性。直到现在，在一项新的研究中，瑞士巴塞尔大学的一组研究人员首次成功地将超薄半导体与超导体结合在了一起，并测量了这种新型合成材料的特性 。
半导体是支撑着当今数字时代的基本构成部分。无论是在计算机、智能手机、电视还是其他移动设备，半导体在电子产品中扮演着核心角色。可以说，如果没有半导体，许多用于生活和工作的设备都将无法使用。目前，大多数关于将半导体和超导体结合在一起的实验研究，都主要是在一维 （1D）纳米线的基础上进行的。
为了可以获得更灵活的结构，许多科学家现在已经开始将目光聚焦在二维 （2D）半导体 上。这些超薄的半导体有望带来一些在其他任何情况下都难以控制的独特特性；而且在这样的半导体单分子层中，还会发生许多复杂的量子力学现象，这些现象有望被应用在量子技术中。
然而可惜的是，适用于进行这类研究的二维半导体材料的数量是非常有限的。不过幸而物理学家已经知道，有一些天然的半导体材料具有很好的单分子层特征，比如在过渡金属二硫属化合物 （TMDC）中，就有可能存在具有非常新颖的电子和光学特性的超薄半导体。这些超薄半导体可以被堆叠成三维的晶体，即所谓的范德瓦尔斯异质结构 ，产生在过去无法想象的新特性。
具有相对较高的迁移率和较大的平均自由程的二硫化钼 （MoS₂），就是这样一种很适合用于与超导材料结合的半导体材料。在新研究中，由巴塞尔大学的物理学家Andreas Baumgartner 领导的研究团队成功地实现了单层半导体二硫化钼与超导的首次接触。
在实验中，他们采用了一种被称为钼铼合金 （MoRe）的超导体作为接触材料。这是一种具有较高临界温度（约6~10K）的超导体。我们知道，在超导状态下，超导体的电子会形成一对一对的，即所谓的库珀对 ，这些库珀对在晶格中可以无损耗运动，形成超导电流。
单层的二硫化钼（MoS₂）夹在两层氮化硼（hBN）保护层之间，上层则与钼铼合金（MoRe）接触。一层石墨烯（Gate）用于电气控制。｜图片来源：Mehdi Ramezani, Swiss Nanoscience Institute, University of Basel
Baumgartner将超导体和半导体中的电子行为比作为两种奇异的舞蹈。超导体中的库珀对是正在舞蹈的成对的舞伴，他们可以奇妙地在不受任何阻碍的情况下流动；半导体二硫化钼中的电子上演的则是一种完全不同的舞蹈，这种舞蹈也很怪异，并同时融合了它们的磁矩在内。他想知道，通过将超导的钼铼合金与单层的半导体二硫化钼结合，电子会遵循哪种奇异的新舞蹈。
在略高于绝对零度的低温条件下，研究人员通过测量清楚地发现了这种新型结构所表现出的由超导导致的特征 。例如在一些特定的能量下，不再存在单个电子。不仅如此，研究人员还发现了半导体层和超导体之间存在强耦合的迹象，形成了超导邻近效应和束缚态的基础 。强耦合是一个关键特征，这是物理学家一直期待能够在范德瓦尔斯异质结构中看到的现象，但一直以来从来没有通过实验证实过。
研究人员认为，这样的结构具有很多潜在的创新用途，比如能够用电场控制电子磁性。然而目前，这些潜在的可能还只停留在理论层面，因为科学家还无法知道这些新型材料究竟可以产生怎样的效应，也无从知道可以用它们制造出怎样的设备。
而这也正是这项成果的意义所在，它让进一步的研究和发现提供了机会。新研究的测量结果还显示，这些堆叠的单层半导体甚至还可能与其他更奇特的材料结合一起，进而为更加新颖且意想不到的研究铺平道路。
#参考来源：
https://nanoscience.ch/en/2021/07/06/ultrathin-semiconductors-electrically-connected-to-superconductors-for-the-first-time/
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00615
#图片来源：
封面：Mehdi Ramezani, Swiss Nanoscience Institute, University of Basel
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