南京大学缪峰教授、南京理工大学程斌教授系统总结了二维超导体与磁体、拓扑材料、超导体构建的范德华异质结（S/M、S/T、S/S）的研究进展，深入解析了近邻效应、对称性破缺等核心机制，重点阐述了自旋三重态超导、拓扑超导、非互易输运等新兴量子态，及其在量子传感、量子计算等领域的应用潜力。相关工作以“From stacking to function: emergent states and quantum devices in 2D superconductor heterostructures”为题发表在Chinese Physics B。
二维超导体因低维特性、强量子涨落与优异界面兼容性，成为调控超导态的理想平台，而范德华异质结的原子级平整界面为超导与磁学、拓扑等特性的耦合提供了独特优势，推动了新型量子态与量子器件的研发。
展示超导体 / 磁体（S/M）、超导体 / 拓扑材料（S/T）、超导体 / 超导体（S/S）三类异质结，及其衍生的非常规超导态（自旋三重态配对、拓扑超导、非互易 / 手征超导输运），并示意其在量子器件（超导二极管、马约拉纳零能模器件）与量子计算、神经形态计算等领域的应用。
(a) 单层 NbSe₂的自旋 - 动量锁定与双层 / 块体 NbSe₂的自旋 - 层锁定示意图。(b) 不同厚度 NbSe₂样品在面外（空心符号）与面内（实心符号）磁场下，归一化上临界场与转变温度的关系（虚线为泡利顺磁极限）。(c) NbSe₂的厚度 - 温度相图。(d) Rashba 与多层伊辛超导体中零动量 BCS 配对、有限动量 FFLO 配对及轨道 FFLO 态的对比。(e) SnSe₂电双层晶体管（EDLT）的温度依赖电阻，显示栅极诱导超导转变。(f) 双层 MoS₂器件在垂直磁场下的温度依赖面电阻，证实栅极诱导超导。(g) 2H-Ta₂S₃Se 的厚度 - 磁场相图。
(a) Bi-2212 的晶体结构（“单层” 对应半晶胞，含两个 CuO₂面）。(b) 单层 Bi-2212 器件与最优掺杂块体晶体的温度依赖电阻对比。(c) 60 K 下的电流 - 电压特性，显示非互易临界电流（Ic⁺≠|Ic⁻|）。(d) 电阻随温度与掺杂的变化，展示相图中的输运行为演化。
(a)-(c) 典型铁基超导体的晶体结构：LaOFeAs（a）、LiFeAs（b）、Fe (Se,Te)（c）。(d) Fe (Se,Te) 的第一性原理能带结构，突出自旋 - 轨道耦合诱导的带隙反转。(e) BaFe₂As₂的示意相图，包含向列序、自旋密度波、C₄对称磁相及超导相。(f) Fe (Se,Te) 的能带结构，显示体相空穴型价带与类狄拉克拓扑表面态。(g) 零场升温 Kerr 旋转信号（揭示时间反演对称性破缺）与体相磁化率（标记超导转变）。(h) 涡旋核的空间分辨隧道谱。
(a) Cr₂Ge₂Te₆的侧面与顶面晶体结构。(b) SiO₂/Si 衬底上剥离的 Cr₂Ge₂Te₆原子层光学图像（左）与双层薄片在 40 K、面外磁场下的 Kerr 旋转信号（右）。(c) 单层 CrI₃的面内（上）与面外（下）原子晶格。(d) CrI₃单层的极向磁光克尔（MOKE）信号（插图为单层光学图像，比例尺 2 μm）。(e) 沿 [001]（上）与 [010]（下）方向观察的单层 FGT 原子结构。(f) FGT 的层数 - 温度相图。(g)-(h) 1.5 K 下 FGT 的应变依赖反常霍尔响应与矫顽场。(i) FGT 的温度 - 应变相图，区分顺磁相（PM）与单畴（FM1）、迷宫畴（FM2）铁磁相。
图 6 超导体 / 磁体异质结中的近邻效应与新兴现象
(a) 不同 FGT 厚度的 NbSe₂/ 间隔层 / FGT 的温度依赖电阻（NbSe₂厚度固定为～20 nm）。(b) 裸 NbSe₂与 CrBr₃岛的微分电导谱（双能隙 S 波 BCS 模型拟合），显示近邻修饰超导。(c) CrBr₃/NbSe₂异质结的涡旋成像，揭示磁调制超导涡旋（T=350 mK，面外磁场 0.65 T）。(d) MnTe/Bi₂Te₃/Fe (Se,Te) 异质结的层分辨超导能隙谱。(e) 2 K 下 V₅Se₈/NbSe₂异质结在不同磁场角度（θ=0°、80°）的反常霍尔电阻率。(f) 9 T 下反常霍尔电导率与 θ 的关系（黄色区域标记偏离 cosθ 的偏差）。
图 7 超导体 / 磁体异质结中的巨磁电阻与电可调非互易超导输运
(a) NbSe₂/CrSBr 异质结器件示意图（CrSBr 边缘位于电极间）与面外杂散场模拟分布。(b) 该器件与传统 / 超导自旋电子学器件的磁电阻及电阻 - 面积积对比。(c) 电可调非互易超导输运的示意图与实验验证。(d) 生物皮质神经元与神经晶体管的概念类比，及不同极性态下对电流脉冲的尖峰响应（示意非互易超导器件的神经形态计算潜力）。
(a) CrBr₃岛边缘的微分电导谱（上方为对应的 STM 形貌图）。(b) 沿涡旋核的空间分辨 dI/dV 谱（Line A）。(c) Cr₂Ge₂Te₆基约瑟夫森结的 SQUID 振荡（红色圆圈、蓝色方块分别为 T=0.9 K 时的临界电流 Ic⁻与 Ic⁰）。(d) 磁化依赖约瑟夫森耦合示意图：垂直磁化利于伊辛库珀对的自旋守恒隧穿（π 相结），面内磁化需自旋翻转隧穿（0 相结），磁畴存在时形成混合 0-π 段。(e) 磁场沿 y 轴的 S/F/S 结示意图。(f) 沿 y 轴的超导电流密度分布，显示两条导电边缘通道。
图 9 超导体 / 拓扑材料异质结中的近邻诱导拓扑超导与马约拉纳信号
(a) 裸 NbSe₂与 3QL-Bi₂Se₃薄膜的 STS 谱。(b) 拟合提取的诱导超导能隙与 Bi₂Se₃厚度的关系。(c) 不同厚度 Bi₂Se₃薄膜的 ARPES 能带色散。(d) 上：17ML-Pb/TlBiSe₂、17ML-Pb/Si (111) 及裸 TlBiSe₂在 Γ 点附近费米能级的 ARPES 能带结构；下：对应的 MDC/EDC 峰位实验色散。(e) 左：0.1 T 下 5QL-Bi₂Te₃/NbSe₂拓扑超导体上涡旋的零偏压 dI/dV 成像（非自旋极化针尖）；下：自旋极化针尖在涡旋中心的 dI/dV 谱；右：自旋极化针尖在涡旋中心外～10 nm 处的 dI/dV 谱。
(a) WTe₂的晶体结构。(b) 上：体相能带从拓扑平庸相到非平庸相再到自旋 - 轨道耦合诱导带隙的演化示意图；下：WTe₂从 1T 相到无自旋 - 轨道耦合 1T'- 相再到有自旋 - 轨道耦合 1T'- 相的计算能带结构。(c) 上：FGT/WTe₂器件的光学图像；下：WTe₂薄片中电流诱导自旋极化示意图。(d) 栅压依赖磁电阻（MR）与载流子密度比的对比。(e) 薄 WTe₂中的负纵向磁电阻。
图 11 超导体 / 拓扑半金属异质结中的新兴拓扑与非互易超导现象
(a) 单层 WTe₂体相（远离边缘）与边缘的代表性 dI/dV 谱，显示量子自旋霍尔边缘态导致的局域态密度（LDOS）增强。(b)-(c) 单层 WTe₂/NbSe₂体相（b）与边缘（c）的代表性隧道谱拟合。(d) 不同温度下 WTe₂的微分电阻谱，显示主超导峰内的亚能隙特征。(e)-(f) 超导 WTe₂/NbSe₂异质结的态密度（DOS）理论计算：(e) II 型外尔半金属（WTe₂）与 s 波超导体（NbSe₂）的超导态 DOS；(f) （e）中 WTe₂的 DOS 放大图（红线），细线为 WTe₂不同层的 DOS。(g) 20 mK、面内磁场 B_y=20 mT 下 NiTe₂/Nb 约瑟夫森结（d=350 nm）的 I-V 曲线，显示非互易临界电流。(h) 电流方向面内磁场下结的示意图，显示 y 方向有限动量库珀对调制的形成。(i) 同一 350 nm 结的 dV/dI 与面内（B_x）、面外（B_z）磁场的关系，显示面内磁场诱导的干涉图样演化。
(a) 左：s 波、d 波或 d+id 波配对的扭转铜氧化物双晶约瑟夫森隧穿示意图；右：45° 扭转 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈（Bi-2212）界面的原子结构。(b) 30 K 与 12 K 下 IcR_N 的角度依赖，显示近乎非相干隧穿。(c) 44.8° 扭转 Bi-2201 约瑟夫森结的夫琅禾费衍射图样。(d) 欠掺杂 Bi-2212 中约瑟夫森耦合强度与扭转角度的关系。(e) 扭转铜氧化物中约瑟夫森二极管效应的实验观测。(f) 左：带涡旋构型的扭转 BSCCO 结示意图；右：偏置电流诱导的涡旋构型变化（马格努斯力）产生非互易输运。(g) 左：微波辐照下量子化超导二极管（QSD）示意图；右：其 I-V 特性显示完美二极管效率。
文章链接：https://doi.org/10.1088/1674-1056/ae4c6c
