成果简介
范德瓦尔斯层状物因包含着丰富的元素，所以形成了多种不同结构的晶体。其中，1984年Shechtman等人发现了准晶体的概念，即具有准周期平移序和禁止的旋转对称性的固体相。接着在1998年，Conrad等人发现了一种Ta1.6Te的稳定准晶体相，这引起了科学家们对这一领域更深入研究的兴趣。然而，过去的研究主要集中在这些层状结构的晶体上，而范德瓦尔斯层状准晶体的物理性质却鲜有涉及。
鉴于此，东京大学Yuki Tokumoto（论文第一作者）以及Keiichi Edagawa教授联合发题为“Superconductivity in a van der Waals layered quasicrystal” 的研究论文在Nature Communications。本研究通过使用X射线衍射、电子衍射和高分辨透射电子显微镜等技术，对Ta1.6Te的十二重准晶体结构进行了详细研究。此外，他们通过反应烧结法制备了这种范德瓦尔斯层状准晶体，从而克服了传统凝固技术无法应用于这种材料的问题。
图文导读
为了深入理解和证实通过反应烧结法制备的Ta1.6Te十二重QC相的特性，研究者进行了电子和X射线衍射分析。图1a展示了合成的Ta1.6Te样品的电子衍射图案。可以清晰地观察到排列有十二重对称性的锐利斑点，这验证了十二重QC相的形成。此图案的基本相同性与先前报道的Ta1.6Te十二重QC相的结果相符，为后续实验提供了坚实的基础。图1b则展示了通过辐射获取的合成Ta1.6Te样品的粉末X射线衍射谱。在此图中，通过数值方法成功去除了组分，得到了对应于组分的谱线，其波长为Å。
通过将该谱线与用于反应烧结的TaTe2和Ta晶体相的谱线进行比较，研究者未能在获取的谱线中发现这些相的存在，这表明了反应的完成和新相的形成。 为了进一步验证十二重QC相的存在，研究者表征了材料的XRD，基于先前通过单晶X射线衍射测量得到的Ta97Te60 CA相的谱线。图1c放大展示了获取的实验谱线和构建的谱线的对比。尽管在获取的谱线中的峰在2θ区域为33–47°的范围内分辨率较低，但总体上两者仍具有令人满意的一致性。这些实验结果提供了对合成Ta1.6Te十二重QC相的多层次验证。
为了深入了解Ta1.6Te十二重QC相的电学性质，研究者进行了电阻率的详细测量。在图2a中展示了电阻率随温度变化的趋势。随着温度降低，电阻率逐渐增加，但在较低温度时突然降至零，揭示出超导现象的出现。进一步观察2K以下的温度依赖性（图2b），发现在中点过渡温度处突然降至零，这是超导态的明显迹象。图2c展示了在不同温度下，磁场对电阻率的依赖性，表明增加磁场能够抑制超导转变。通过定义上临界磁场（Hc2）并绘制其与温度的关系（图2d中的插图），研究者进一步分析了超导行为。在图2d中，通过绘制与的关系，研究者使用相关理论进行了准合，从中推导出零温度下临界磁场为32 koe。这与图2a中显示的较大残余电阻相一致，表明了材料的极限超导性。
为了验证Ta1.6Te十二重QC相的体超导性质，研究者进行了磁化率和比热的研究。在图3a中，以外部50 Oe的磁场下，监测了磁化率χ随温度的变化，采用了零场冷却（ZFC）和磁场冷却（FC）条件。在ZFC曲线中，观察到了在K处的急剧下降，这一数值与图2b中对应的过渡温度一致；此外，还观察到了较大的抗磁性，暗示了磁通量由于屏蔽效应而被排斥。在最低温度时，ZFC达到了-1.1 emu Oe^-1 cm^-3，超过了100%的抗磁化，这是因为由于样品形状不规则而未进行去磁化因子校正。然而，通过对去磁化因子的估计，得到了校正后的在最低温度下为-0.86 emu Oe^-1 cm^-3。
在图3b中，重新绘制了低温区域的ZFC数据，清晰地显示在K处存在斜率变化，这可以归因于杂质相的超导转变.整体而言，ZFC数据明确指示了在K处发生的超导转变主要源于样品的十二重QC相。在图3c-d中研究者探究了比热C随温度的变化。在K处观察到了C值的明显跃变，这一数值与图2b中的和图3a中的对应的过渡温度一致。
图4展示了十二重QC的比热数据（黑点）、Al–Zn–Mg i-QC的比热数据（红点）、以及基于Penrose镶嵌的数值数据（蓝点）和BCS理论的预测曲线（黑线）。研究者首先展示了十二重QC和Al–Zn–Mg i-QC的比热数据。观察到的比热跳跃明显表明了超导转变的发生，这与之前的电阻率、磁化率和比热测量相一致。这与先前研究中发现的i-QC材料的实验结果相符，支持了BCS理论的适用性。此外，数值数据和BCS理论曲线的对比进一步突显了实验数据与理论预测之间的一致性。通过这些比热测量，研究者成功地确定了Ta1.6Te十二重QC相的一些关键参数，包括Debye温度和电子-声子耦合常数。这些结果不仅有助于深化对超导机制的理解，还为设计和开发新型超导材料提供了有益的信息
图4. 比热的温度相关性
总结展望
总之，研究者通过反应烧结方法成功制备了多晶Ta1.6Te十二重QC样品，通过电子和粉末X射线衍射实验以及衍射剖面模准，对样品进行了仔细的相鉴定，同时还对样品进行了电阻率、磁化率和比热的测量。实验结果明确证实了在约1K的温度下出现了体超导现象，这是热力学稳定的QC中首次观察到的超导现象。这一发现有望激发对vdW层状准晶体和二维准晶体物理特性的进一步研究。
文献信息
Tokumoto, Y., Hamano, K., Nakagawa, S. et al. Superconductivity in a van der Waals layered quasicrystal. Nat Commun 15, 1529 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45952-2
