今日《Science》：东京大学在二维超导体取得重要进展！

巴丁-库珀-施里弗(BCS)超流体和玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)，是成对费米子系统基态的两个极限。近日，来自日本东京大学的Yoshihiro Iwasa等研究者，报道了在二维超导体、电子掺杂层状材料ZrNCl中，通过改变载流子密度实现从BCS极限到BEC极限的交叉行为。相关论文以题为“Gate-controlled BCS-BEC crossover in a two-dimensional superconductor”发表在Science上。

论文链接：

http://science.sciencemag.org/content/early/2021/03/17/science.abb9860

费米子的配对和凝聚是许多系统的基础，涵盖从中子星到超导体和超低温原子气体等。费米凝聚有两种极限情况，由两种不同的理论描述：巴丁-库珀-施里弗(BCS)理论和玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。前者解释了，弱耦合或高密度极限下的超流体，即单个费米子，直接凝结成费米子对的相干态。这种凝聚，通常在电子的超导性(SC)中可观察到。后者发生在强耦合、低密度极限。费米子，首先形成像玻色子一样的对，然后这些玻色子，经历BEC到超流体态。这种现象，在费米电子气中表现得最为明显。这两个极限，通过一个中间区域连续连接，表现出被称为BCS-BEC交叉的普遍行为。

超冷原子气体和超导体，是有利于观察BCS-BEC交叉的实验设置，因为组成费米子之间的耦合强度，可以以准连续的方式控制。在超冷原子气体中耦合强度，可通过费什巴赫共振，进行高度调制，从BEC极限开始穿过交叉区域。超导体中，通过控制载流子密度和耦合强度，可以从BCS极限进入交叉状态。

超导体中无量纲耦合强度，由Δ/E_F决定，其中Δ为超导间隙，E_F为从导带底部测量的费米能量。随着配对相互作用增强，或载流子密度降低Δ/E_F增加，系统进入BCS-BEC交叉状态，T_c/T_F增强，其中T_c和T_F分别为，超导临界温度和费米温度。然而，即使在这些系统中，耦合强度也不够高，也不足以达到跨界的BEC极限；此外，在低载流子密度、强电子关联效应和磁序，增加了交叉现象的复杂性。因此，如何明确BCS-BEC交叉，仍然是SC研究中的一个关键挑战。尽管，众多研究报道了FeSe体系、魔术角扭曲双层石墨烯和层状氮化物等，但迄今尚未实现，对需要从BCS体系过渡到BEC极限的Δ/E_F的宽范围控制。

在此，研究者分析了Li_xZrNCl超导体，一种嵌锂层状氮化物(图1)。锂向双蜂窝ZrN层提供电子，在没有掺杂的情况下，ZrN层是带绝缘体。通过同时测量离子门控下的电阻率和隧穿光谱，研究者建立起相图，表明在低掺杂状态下存在赝隙相。低载流子密度极限下的超导转变温度与费米温度之比，与BCS-BEC跨界时的理论上限一致。在低载波密度极限下，理论上T_c在15k以上进一步增加，对应Δ/E_F大幅增加，BCS-BEC交叉得以实现。以上结果表明，门-掺杂半导体，为二维BCS-BEC交叉，提供了一个理想的平台，同时不会增加其他固态系统的复杂性。

图1 ZrNCl器件中的门控嵌入。

图2 Li_xZrNCl的输运性质。

图3 Li_xZrNCl的隧穿光谱。

图4 超导Li_xZrNCl中的BCS-BEC交叉。

综上，研究者通过系统调节Li_xZrNCl中SC的耦合强度，证明了二维BCS-BEC交叉。由于降低了载流子密度，使得二维BCS-BEC交叉，从各向异性的三维到二维的多维交叉，在本系统中得以实现。这种交叉特点，与二维费米气体云阵列相似，其中，费米气体云的维数也受到耦合强度的影响。这样的互补研究，促进了人类对费米子凝聚物理的理解。（文：水生）