近日，中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授、秦维教授、张振宇教授联合日本东北大学助理教授程广珲博士，在等离激元调控超导特性研究中取得重要进展。研究团队通过近场耦合金纳米颗粒的等离激元，实现了对薄层二硒化铌二维超导特性的显著调控（超导温度调控超过40%），并据此设计了等离激元超导开关器件。相关研究成果以“Reversible modulation of superconductivity in thin-film NbSe2via plasmon coupling”为题于在线发表在《自然·通讯》上。
探索超导与光波的耦合不仅能够揭示超导相关的演生量子物态，还有助于开发无耗散超导电路。特别是光场作为一种非侵入式手段，其超快和抗干扰的特性能够推进超导器件的实用化。然而，由于超导材料本身较弱的光-物质相互作用，过去的研究普遍依赖于瞬时的脉冲强光，限制了该领域的研究发展。而等离激元作为固体中电子的集体震荡效应，能够在光与超导体之间起到桥梁作用。等离激元能够将光场压缩到纳米尺度，从而实现等离激元模式与多种准粒子的强相互作用。
曾长淦教授研究团队一直致力于准粒子体系、特别是等离激元体系的量子调控行为研究。在前期的工作中，研究团队发现电子-等离激元耦合对石墨烯电子输运过程中的量子相干性有极大的增强效应（Phys. Rev. Lett. 119, 156803 (2017)，该工作的共同第一作者是程广珲和秦维，当时两人为在校博士生），这就启发团队进一步探索等离激元如何对超导这一宏观量子相干现象产生影响。
图示：（a）等离激元金纳米颗粒与二维超导体复合器件示意图；（b）等离激元共振激发下，观测到超导温度的显著调控；（c）等离激元超导开关操作。
研究团队将典型的二维超导体二硒化铌与等离激元金纳米颗粒相结合，通过可见光辐照共振激发金纳米颗粒的等离激元，发现二硒化铌的超导电性被大幅抑制。在光子通量9.36×1013s-1mm-2（相比常见脉冲激光低至少10个数量级）下，超导温度的调控幅度超过40%。结合对二硒化铌的厚度依赖关系以及理论分析，观测到的超导显著调控来源于等离激元诱导的倏逝波（evanescent field）与二硒化铌电子之间的高效耦合。基于这一发现，研究团队开发设计了等离激元超导开关器件，实现了对超导态-非超导态之间的可逆转换操作。这项工作不仅为光控超导提供了有效的方法，也为未来寻找玻色子辅助超导配对以及超越BCS理论的非传统超导机制提供了启示。
日本东北大学材料科学高等研究所助理教授程广珲博士为论文第一作者，曾长淦教授、秦维教授和程广珲博士为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院以及安徽省的资助。程广珲博士得到了日本学术振兴会科研费以及日本东北大学的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50452-4
（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）
