二維層狀過渡族金屬硫化物（TMDs）在納米電子學、光電子學和自旋電子學等領域有着潛在的應用價值，因此被譽為超越石墨烯（beyond graphene）的材料，已成為國際前沿領域的研究熱點。在前期報道中，TMD薄片（橫向尺寸為微米量級）主要由機械剝離技術獲得，因其工藝簡單和經濟性而備受關注。然而實際應用傾向于高質量且更大面積的薄膜單晶材料。因此，制備高質量宏觀面積的超薄過渡族金屬硫化物對未來器件應用具有重要意義。
對于二維超導領域（Nat. Rev. Mater. 2, 16094(2016)），量子金屬、量子格裡菲斯奇異性（QGS）和以伊辛超導命名的超高平行臨界磁場行為成為三個重要主題。王健課題組及合作者于2015年首次在二維超導體系中（3個原子層厚的Ga薄膜）觀測到一種受無序影響的量子相變，其動力學臨界指數在相變點發散，這種行為被稱為量子格裡菲斯奇異性（Science 350, 542(2015); Science 350, 509(2015)）。随後課題組在LaAlO3/SrTiO3(110)界面超導中進一步證實了量子格裡菲斯奇異性（PRB 94,144517(2016)）。伊辛超導是指超導庫珀對的自旋被有效的塞曼磁場固定住，由此表現出極強的的面内臨界磁場（遠超其泡利順磁極限）。伊辛超導先後在栅極調控的過渡族金屬硫化物MoS2薄片和NbSe2薄片中被發現和報道。
近日，量子物質科學協同創新中心/beat365王健教授和清華大學季帥華副教授、薛其坤院士、陳曦教授，beat365林熙研究員、馮濟研究員、中科院合肥強磁場中心的田明亮研究員、郗傳英博士以及北京師範大學劉海文副研究員等人展開合作，通過分子束外延法在雙層石墨烯終止的6H-SiC(0001)襯底上成功制備出大面積（毫米以上）原子級平整的高質量單層過渡族金屬硫化物NbSe2薄膜（僅0.6 nm厚），在此基礎上對其覆蓋非晶态Se保護層，進而對非原位的電輸運物性展開了系統研究。研究發現：單層NbSe2薄膜表現出超過6K的起始超導臨界轉變溫度和高達2.40K的零電阻溫度，超過了早期機械剝離獲得的單層NbSe2以及分子束外延生長的單層NbSe2的超導轉變溫度。同時，強磁場和極低溫下的輸運測量結果直接證實了平行特征臨界場Bc//(T=0)是順磁極限場的5倍以上，符合Zeeman保護的伊辛超導機制（前期NbSe2薄片中的伊辛超導證據需要實驗數據的理論拟合在更低溫更高磁場下的外推）。此外，極低溫垂直磁場下的電輸運測量表明，單層NbSe2薄膜在接近絕對零度時的量子臨界點表現出量子格裡菲斯奇異性。這是首次在同一體系中同時觀測到伊辛超導和量子格裡菲斯奇異性。
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| 左圖為垂直和平行磁場下的特征臨界磁場BC，插圖為标準四電極法測量結構圖。超大的平行特征臨界磁場給出了伊辛超導的直接證據。右圖為垂直磁場下超導-金屬相變指數zv随磁場的變化趨勢，在相變臨界點發散，給出了量子格裡菲思奇異性的證據。插圖是單層NbSe2薄膜的原子尺度分辨率的STM圖像。 |
文章于2017年10月在Nano Letters上在線發表(DOI:10.1021/acs.nanolett.7b03026,http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b03026)
beat365的王健教授和清華大學的季帥華副教授是本文的通訊作者。中國石油大學（北京）的邢穎博士和清華大學的趙琨博士為共同第一作者。
這項工作得到了國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、中國高等教育博士研究基金、清華大學低維量子物理國家重點實驗室開放研究基金、華中科技大學脈沖強磁場開放項目以及中國石油大學（北京）科學基金的資助。
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