一、康星【導(dǎo)讀】

在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，大學(xué)電性實(shí)現(xiàn)量子相的時(shí)具雙層靜電調(diào)控是極具研究前景的前沿方向。近期的有鐵一些研究表明，通過靜電摻雜可以在扭轉(zhuǎn)石墨烯異質(zhì)結(jié)和二維半金屬（如WTe₂）中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)可調(diào)性。超導(dǎo)這些體系中，康星有一些具有導(dǎo)致鐵電性的大學(xué)電性極性晶體結(jié)構(gòu)，通過外加電場(chǎng)可以驅(qū)動(dòng)層間極化產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)。時(shí)具雙層這些鐵電二維（2D）范德華層狀異質(zhì)結(jié)的有鐵空間反演對(duì)稱性破缺通常來自于材料固有特性或由異質(zhì)結(jié)工程產(chǎn)生。眾所周知，超導(dǎo) BaTiO₃等傳統(tǒng)鐵電體源于長(zhǎng)程庫侖相互作用，康星而2D材料的大學(xué)電性鐵電性則是由層間滑移和反演對(duì)稱性破缺產(chǎn)生的較小偶極矩之間的相互作用所致。因此，時(shí)具雙層菱面體堆垛的有鐵雙層過渡金屬二鹵化物和正交堆垛的雙層T_d-WTe₂材料也展示出潛在的鐵電性。由于二維鐵電結(jié)構(gòu)是超導(dǎo)原子級(jí)厚度，因此，其面內(nèi)金屬態(tài)與面的極化可兼容。

那么，能否實(shí)現(xiàn)鐵電對(duì)超導(dǎo)的調(diào)控呢？

二、【成果掠影】

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Abhay N. Pasupathy聯(lián)合威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Daniel A. Rhodes教授展示了雙層T_d-MoTe₂材料能夠同時(shí)表現(xiàn)出鐵電反轉(zhuǎn)和超導(dǎo)性。值得注意的是，在其鐵電相變中觀察到了場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的一級(jí)超導(dǎo)-正常相轉(zhuǎn)變。同時(shí)作為載流子密度和溫度的函數(shù)，雙層T_d-MoTe₂的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(T_c)也具有最大值，從而可以作為摻雜和極化的函數(shù)獨(dú)立控制超導(dǎo)態(tài)。這項(xiàng)研究表明，T_c最大值與補(bǔ)償電子和空穴載流子密度有關(guān)，當(dāng)其中一個(gè)費(fèi)米口袋隨摻雜而消失時(shí)，最大T_c也隨之消失。作者認(rèn)為這種不尋常的極化敏感二維超導(dǎo)體是由與近嵌套電子和空穴費(fèi)米口袋相關(guān)的帶間對(duì)相互作用驅(qū)動(dòng)的。相關(guān)成果以“Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer T_d-MoTe₂”發(fā)表在Nature上。

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三、【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

在雙層T_d-MoTe₂中實(shí)現(xiàn)了能同時(shí)表現(xiàn)出鐵電反轉(zhuǎn)和超導(dǎo)性的新物理

四、【數(shù)據(jù)概覽】

圖1雙分子層T_d-MoTe₂的電子性能 ?2023 Springer Nature

a，雙門控器件原理圖。b, DFT計(jì)算了雙分子層MoTe₂的電子能帶結(jié)構(gòu)。c，霍爾電阻的演變。d，雙分子層MoTe₂的本向(Δn = 0)非飽和磁電阻(MR)。e， Δn = 0時(shí)雙分子層MoTe₂的超導(dǎo)躍遷。f，施加位移場(chǎng)的雙層MoTe₂鐵電反轉(zhuǎn)。

圖2雙分子層T_d-MoTe₂的鐵電性和超導(dǎo)性耦合 ?2023 Springer Nature

a，具有雙穩(wěn)態(tài)正態(tài)和超導(dǎo)態(tài)的蝴蝶環(huán)，表明鐵電態(tài)和超導(dǎo)態(tài)耦合。b, 在固定載流子密度下超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間的可逆反轉(zhuǎn)。c，Δn = 1.5 × 10¹³cm^?2處鐵電和超導(dǎo)耦合行為的溫度演化。d， 位移場(chǎng)掃描方向之間的電阻差顯示了8 K時(shí)鐵電性區(qū)域及其隨摻雜的演變。e，在1.5 K時(shí)，突出顯示超導(dǎo)區(qū)域

圖3摻雜依賴的雙層T_d-MoTe₂超導(dǎo)性 ?2023 Springer Nature

a，具有靜電摻雜和溫度的超導(dǎo)圓頂?shù)难葑儭, 載流子濃度作為Δn的函數(shù)，通過擬合霍爾電阻的雙波段模型提取。c，固定摻雜下霍爾電阻的演化。d， 從雙帶模型提取的載流子濃度到霍爾數(shù)據(jù)

圖4MoTe₂中的費(fèi)米表面嵌套和超導(dǎo)性 ?2023 Springer Nature

a，單層MoTe₂含嵌套向量的費(fèi)米曲面。b, 單層MoTe₂的林德磁化率值。c，對(duì)應(yīng)于費(fèi)米面上電子空穴袋的帶間嵌套向量。d，DFT計(jì)算雙分子層MoTe₂的費(fèi)米表面。e，雙分子層MoTe₂的λ_max值。f，λ_max作為摻雜的函數(shù)。

五、【成果啟示】

本研究在雙層MoTe₂鐵電體系中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可調(diào)諧的T_c，這也體現(xiàn)出這種材料是一個(gè)很有前途的平臺(tái)，即可以通過摻雜和位移場(chǎng)兩個(gè)獨(dú)立且高度精確的控制不尋常類型的二維超導(dǎo)。此外，利用與晶格耦合的超快電磁激勵(lì)來控制這些性質(zhì)也是一個(gè)吸引人的前景。

原文詳情：Jindal, A., Saha, A., Li, Z. et al. Coupled ferroelectricity and superconductivity in bilayer T_d-MoTe₂. Nature613, 48–52 (2023). ?https://doi.org/10.1038/s41586-022-05521-3

本文由春國(guó)供稿。