仪器创新应用，科学家打破常规，使得手性超导成为可能！

【科学背景】

随着量子多体系统拓扑分类研究的进展，手性超导体这一独特的非常规超导体类型引起了越来越多的关注。手性超导体中复杂的超导序参量在动量空间中顺时针或逆时针旋转，这一性质使其成为拓扑非平凡系统，并具有本征的时间反转对称性破缺（TRSB），对拓扑量子计算有直接影响。

然而，本征手性超导体极其罕见，已知的例子仅有UTe2、UPt3和Sr2RuO4等少数几种，这些例子仍然存在争议。此外，虽然理论研究表明，通过将s波超导体与拓扑绝缘体在自旋轨道耦合和面内磁场存在下接近可能会诱导手性超导性，但这种复杂的设置在材料制备和器件制造中带来了挑战，增加了验证手性超导性的难度。

为此，科学家们探索了非中心对称超导体中的手性超导性，尽管这种特性在典型的固态超导体中并不常见。另一方面，具有非镜像或反演对称性的手性分子在手性诱导自旋选择性（CISS）效应中被广泛研究，其中分子手性通过打破自旋简并性影响固态系统。近期研究表明，将自组装手性分子单层与金属或半导体耦合，可以在固态系统中实现CISS效应

为了解决这些问题，加利福尼亚大学洛杉矶分校化学与生物化学系黄昱, Kang L. Wang & 段镶锋教授团队开发了一类新的手性分子插层超晶格（CMISs），通过将选定的手性分子插层到二维原子晶体（2DACs）中，形成由交替的晶体原子层和自组装手性分子层组成的有序超晶格结构。这类CMISs展示了强大的CISS效应，自旋极化率超过60%，远强于非中心对称分子中的本征自旋轨道耦合效应。

【科学亮点】

（1）实验首次引入手性分子插层技术，将手性分子引入到二维原子晶体（2H–TaS2）中，形成了手性分子插层的TaS2杂化超晶格。通过这一技术，成功引入了非中心对称性，为实现非常规手性超导性提供了新的途径。

（2）实验通过一系列方法验证了杂化超晶格中非常规超导性的存在：

• 通过测量上临界场，发现面内上临界场远超Pauli顺磁极限，表明存在非常规超导态。

• 通过Little–Parks测量，观察到稳健的π相移，进一步支持了非常规配对对称性的存在。

• 通过测量无场超导二极管效应（SDE），证实了超导状态中的时间反转对称性破缺（TRSB），进一步支持了手性超导性的存在。

（3）这些实验结果表明，晶体原子层与自组装手性分子层之间的相互作用可能导致独特的拓扑量子材料。具体表现为，结合丰富物理性质的层状晶体与可设计结构图案和功能基团的手性分子，可以为开发人工量子材料开辟新的途径。

【科学图文】

图1：手性分子嵌入层状超导体2H–TaS2。

图2：热塑性聚氨酯弹性体 thermoplastic polyurethane ，TPU纳米纤维中，液态金属liquid metal，LM颗粒，对压印导电路径的影响。

图3：具有液态金属颗粒的纳米纤维膜LMNM的机械和电气性能以及稳定性。

图4：在原始pristine和手性分子TaS2插层中，测量的临界电流Ic。

【科学结论】

本文揭示了手性分子插层对2H–TaS2中非常规超导性的关键作用，并提供了多种实验证据支持这一发现。首先，作者观察到异常大的面内临界场Bc2,||，这超出了传统Pauli顺磁极限，暗示着可能存在不同寻常的超导机制。其次，通过Little–Parks测量，在多种冷却序列下观察到了稳健的π相移，这表明存在非传统的配对对称性。最引人注目的是，作者发现在超导态中存在无场超导二极管效应（SDE），其稳定性和对外部磁场历史的不敏感性进一步支持了手性分子插层系统中可能存在的时间反转对称性破缺。

这些发现不仅拓展了对超导性质的理解，还为设计和合成新型拓扑量子材料提供了新的思路。通过合理设计分子结构和层状晶体的组合，作者可以调控材料的拓扑相，从而探索其在量子信息和量子计算中的潜在应用。此外，本研究还突显了在材料科学中运用分子设计策略的重要性，这种策略不仅可以提高材料的性能和功能，还能够引导出新型材料的发现与开发。通过深入理解分子与晶体结构之间的相互作用，作者可以为制备更高效、更稳定的拓扑量子材料奠定坚实的基础，推动材料科学的前沿研究和应用。

原文详情：Wan, Z., Qiu, G., 2, H. et al. Unconventional superconductivity in chiral molecule–TaS2 hybrid superlattices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07625-4