科学家揭示VSe2/NbSe2异质结中的人工Kondo晶格！

【研究背景】

Kondo晶格是由局部磁矩与导电电子的周期性耦合所形成的体系，因其在重费米子物理学中的重要性而备受关注。近年来，随着范德瓦尔斯（vdW）材料的发展，研究者们发现重费米子不仅存在于传统的f电子化合物中，也可以在d电子系统中实现。这为深入理解Kondo晶格物理及其潜在应用提供了新的思路。与传统的重费米子材料相比，vdW材料具有良好的可设计性、柔韧性以及高效的电子传输性能，这使其在电子器件、超导体及自旋电子学等领域具有广泛的应用潜力。然而，Kondo晶格系统的复杂性和超导性机制仍存在许多未解之谜，特别是在重电子的作用及其与超导相互作用之间的关系方面。

近日，华中科技大学付英双教授团队成功设计并制备了VSe2单层材料，并将其生长在NbSe2衬底上，形成了人工Kondo晶格/超导体异质结。通过光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）技术，研究人员观察到了新的电荷密度波（CDW）相和明显的Kondo共振。这些共振在整个薄膜上均匀分布，表明局部磁矩的解耦和Kondo晶格的形成。密度泛函理论（DFT）计算显示，在VSe2/NbSe2界面中存在的插层V原子在形成Kondo效应中发挥了关键作用。此外，研究还发现单层VSe2上出现了超导近接隙，其光谱形状与传统一带BCS超导体的模型不符，但与参与超导配对的重电子模型相一致。

该研究不仅为探索重费米子液体与超导凝聚态之间的相互作用奠定了实验基础，也为人工重费米子系统的设计和功能化提供了新的思路。通过对Kondo晶格和超导体异质结的深入研究，有望推动下一代电子器件的发展。

【表征亮点】

（1）实验首次构建了人工Kondo晶格/超导体异质结，通过在块状2H-NbSe2上生长单层VSe2，得到了具有√3 × √3周期性的电荷密度波（CDW）相。这一成果为理解重费米子物理提供了新的实验平台。

（2）实验通过光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）测量，观察到了Kondo共振峰的显著增强。该共振峰在费米能级附近出现，且均匀分布在整个VSe2薄膜上，表明局部磁矩的解耦及Kondo晶格的形成。

（3）密度泛函理论（DFT）计算结果显示，在VSe2/NbSe2界面存在插层V原子，这些原子在生成Kondo效应和电荷密度波相中发挥了关键作用。

（4）Kondo共振的温度和磁场依赖性表明其Kondo温度约为44 K，进一步验证了Kondo效应的存在。

（5）此外，单层VSe2中观察到的超导近接隙的光谱形状偏离了单带BCS超导体模型，但通过包含重电子的Kondo晶格模型计算得以再现，表明重电子在超导配对中起到了重要作用。

【图文解读】

图 1：在NbSe2上生长的√3 × √3 VSe2的形貌和原子结构。

图 2：√3 × √3 VSe2的实验和密度泛函理论（DFT）计算的dI/dV光谱及其映射。

图 3：Kondo共振的温度和磁场依赖性。

图4：√3 × √3 VSe2的近接诱导超导隙。

【科学启迪】

本研究揭示了通过生长单层VSe2与NbSe2构建的人工Kondo晶格/超导体异质结的独特性质，提供了重费米子物理学的重要实验平台。首先，观察到的Kondo共振均匀分布在整个薄膜上，证实了局部磁矩的解耦和Kondo晶格的形成，进一步拓展了对Kondo效应的理解。此外，发现的新的电荷密度波（CDW）相与插层V原子之间的关系，为研究重费米子系统中的磁性特性提供了新的视角。通过密度泛函理论计算，揭示了插层V原子在Kondo效应中的关键作用，进一步说明了vdW材料在人工调控重费米子系统中的潜力。最后，超导近接隙的出现，特别是其与重电子参与配对的复杂关系，为研究超导性与重费米子液体之间的相互作用提供了新思路。这些发现不仅推动了重费米子材料领域的研究，也为未来开发新型电子器件奠定了基础，显示出在功能材料设计和量子材料研究中的广阔前景。

文献信息：Fan, K., Jin, H., Huang, B. et al. Artificial superconducting Kondo lattice in a van der Waals heterostructure. Nat Commun 15, 8797 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53166-9