空腔改变的超导性

固体中电子、自旋和晶格间的强集体相互作用会产生丰富的电子和磁相等新奇性质。目前研究热点是：光子腔或超构材料中电磁模式的量子涨落与固体中基本激发的强相互作用能否引发相变、产生新量子态。腔量子材料研究的目标是通过定制量子电磁环境来控制物质性质。已有实验表明“暗腔”能改变二维电子气的量子霍尔态输运性质及电荷密度波系统的金属-绝缘体转变。

本研究聚焦超导这一纯电子相变，选用层状有机盐κ-ET（超导转变温度Tₙ=11.5 K），并利用范德华双曲材料hBN构建电磁环境。hBN因介电常数沿不同轴符号相反呈现双曲性，光子态密度极高。hBN的双曲模式（HMs）频率与κ-ET中与超导相关的碳碳双键（C=C）伸缩振动频率（1470 cm⁻¹）匹配，两者在界面处杂化，hBN相当于与C=C模式共振调谐的电磁腔。

磁力显微镜（MFM）通过测量磁探针感受到的迈斯纳排斥力来研究局域超流密度。在hBN/κ-ET异质结构中，2 K时hBN覆盖区域的力梯度∂ₓFₓ显著减弱，表明超流密度大幅降低；而RuCl₃/κ-ET（RuCl₃的光学声子频率低，不与C=C共振）的超流密度降低不到7%。hBN/BSCCO（BSCCO声子频率远低于hBN的HMs）的MFM信号与裸BSCCO无差异，证实超流密度抑制是hBN/κ-ET界面共振耦合的特异性结果。

温度依赖性实验显示，裸κ-ET的∂ₓFₓ随温度升高减小，在Tₙ附近消失；hBN/κ-ET的差分信号∆∂ₓFₓ在2 K时约为40 pN μm⁻¹，12 K（高于Tₙ）时消失，确认信号减弱与超流密度降低相关。多个hBN/κ-ET异质结构中，hBN厚度25-110 nm时超流密度均至少降低50%。

散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）和模拟表明，hBN的双曲声子极化激元（HPhPs）与κ-ET的C=C模式存在耦合：自由hBN的HPhP色散连续，而hBN/κ-ET的HPhP色散在C=C频率附近出现中断和避免交叉。第一性原理分子朗之万动力学模拟显示，hBN的HMs零点涨落产生的面外电场与C=C振动耦合，降低C=C振幅并分裂其峰。

本研究证明腔电磁学能调控超导的超流密度这一平衡属性，为通过腔工程改变材料基态热力学性质树立先例。双曲腔的优势在于HMs的电磁场兼具面内和面外分量（与C=C的面外偶极矩耦合），且多支HMs能在宽动量范围与弱色散的C=C共振耦合。范德华双曲腔可广泛用于调控材料性质，其模式覆盖太赫兹到可见光范围，为超腔工程提供无限可能。