一、扭曲牛【科學(xué)背景】?

旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯中超導(dǎo)性的雙層發(fā)現(xiàn)引發(fā)了對莫爾材料的深入研究。具體來說，超導(dǎo)性單層極限下的材料過渡金屬二硫?qū)倩?TMD)半導(dǎo)體MX₂（其中M為Mo或W，X為S、扭曲牛Se或Te）可被視為具有強伊辛自旋軌道耦合的雙層有間隙石墨烯；TMD莫爾材料已成為研究物質(zhì)關(guān)聯(lián)相和拓?fù)湎嗟暮唵味S富的模型系統(tǒng)。這些材料中可調(diào)的超導(dǎo)性莫爾平帶可大大增強關(guān)聯(lián)效應(yīng)，從而穩(wěn)定了莫特絕緣體廣義維格納晶體和重費米子。材料相關(guān)性和非平凡能帶拓?fù)湎嘟Y(jié)合，扭曲牛進一步引發(fā)了整數(shù)和分?jǐn)?shù)陳絕緣體以及分?jǐn)?shù)量子自旋霍爾絕緣體，雙層后者在任何其他材料中都未觀察到。超導(dǎo)性然而，材料超導(dǎo)性——無論有沒有莫爾效應(yīng)的扭曲牛石墨烯平帶系統(tǒng)的標(biāo)志——在TMD莫爾材料中仍然難以實現(xiàn)。早期研究報告通過摻雜關(guān)聯(lián)絕緣體在扭曲雙層二硒化鎢（tWSe₂）中觀察到潛在的雙層超導(dǎo)狀態(tài)，但該狀態(tài)似乎對重復(fù)的超導(dǎo)性熱循環(huán)不穩(wěn)定。

二、【創(chuàng)新成果】

近日，康奈爾大學(xué)研究人員報道了在3.5°和3.65°tWSe₂中觀察到的穩(wěn)健超導(dǎo)性，它具有六方莫爾晶格。超導(dǎo)出現(xiàn)在半帶填充和零外部位移場附近。在兩種情況下，最佳超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度均為約200 mK，約占有效費米溫度的1-2%；后者的值與高溫銅氧化物超導(dǎo)體中的值相當(dāng)，表明存在強配對。超導(dǎo)體在半能帶填充以下和以上與兩種不同的金屬接壤；通過調(diào)整外部位移場，它經(jīng)歷了向關(guān)聯(lián)絕緣體的連續(xù)轉(zhuǎn)變。在庫侖誘導(dǎo)電荷局域化的邊緣觀察到的超導(dǎo)性表明根源在于強電子關(guān)聯(lián)。

圖1tWSe₂的電子結(jié)構(gòu)。（a）雙柵tWSe₂器件的示意圖。兩個柵都是由六角氮化硼（hBN）和幾層石墨（Gr）制成，其中較窄的頂層?xùn)哦x了tWSe₂通道。頂層?xùn)藕偷讝烹妷海ǚ謩e為Vtg和Vbg）控制tWSe₂中的垂直電場E和空穴填充因子ν。鉑被用作與tWSe₂接觸的電極。額外的鈀（Pd）接觸柵和分裂柵電壓分別用于打開Pt接觸和關(guān)閉并行通道（僅顯示一個柵）。（b）tWSe₂的六角Moiré晶格，其中MX（紅色）和XM（藍色）堆疊位點。黑色和灰色點分別表示M（W）和X（Se）原子。c. 來自連續(xù)模型的3.65° tWSe₂的K谷態(tài)的最高Moiré價帶。兩個帶都帶有Chern數(shù)+1。相應(yīng)的K'谷態(tài)的帶帶有Chern數(shù)?1。14.2毫電子伏特的價帶最大值對應(yīng)于ν=0。虛線標(biāo)記了與d圖中相同顏色點相對應(yīng)的費米能級。（d）電子態(tài)密度（DOS）與E和ν的關(guān)系。vHS（ν≈0.75在E=0）隨著E的增加而向更高的ν分散。插圖：當(dāng)ν通過vHS時，費米面在E=0時從以Moiré布里淵區(qū)的κ/κ'為中心的不連續(xù)空穴口袋（黃色）演變?yōu)橐驭茫ê谏橹行牡膯蝹€電子口袋。10K（e）和50毫K（f）下，縱向電阻R作為E和ν的函數(shù)。f中的虛線（作為視覺輔助）分隔了層雜化和層極化區(qū)域。? 2023 Springer Nature

本研究中使用了雙柵tWSe₂設(shè)備。頂部和底部門由多層六邊形硼氮化物和石墨制成。它們獨立調(diào)節(jié)空穴莫爾填充因子ν以及垂直于tWSe₂的電場E（或等效地，層間電勢差）。較窄的頂門定義了設(shè)備通道，并且額外設(shè)計了鈀（Pd）分割門以關(guān)閉任何并行導(dǎo)電通道。為了實現(xiàn)與tWSe₂的歐姆接觸直至毫開爾文溫度，本文使用鉑（Pt）接觸電極和Pd接觸門，接觸門在緊鄰Pt電極的tWSe₂區(qū)域誘導(dǎo)出重孔摻雜，實現(xiàn)了10千歐至40千歐之間的接觸電阻。

圖2在半帶填充附近的零電阻區(qū)域。（a-c）不同溫度和外加磁場下，縱向電阻R作為E和ν的函數(shù)，接近E=0和ν=1。b和c中的虛線是50 mK時觀察到的零電阻區(qū)域的輔助線（a）。通過將樣品溫度提高到300 mK（b）或施加50 mT的平面外磁場（c），零電阻狀態(tài)被抑制。c中，半帶填充下方和上方的金屬態(tài)對磁場不敏感。? 2023 Springer Nature

作者重點觀察了ν?=?1和E?=?0附近的相空間。虛線標(biāo)示出了在50?mK時電阻為零的區(qū)域。對于1.5?μm×8?μm的均勻莫爾區(qū)域，零電阻狀態(tài)與測量配置無關(guān)。該狀態(tài)對重復(fù)的熱循環(huán)具有魯棒性，然而，該狀態(tài)對熱激發(fā)和外部磁場都很敏感。例如，當(dāng)樣品被加熱到300?mK時，以及在50?mK下施加50?mT的垂直磁場時，該狀態(tài)會被消除。

圖3半帶填充時的超導(dǎo)性。（a）在零外加磁場下，差分電阻dV/dI作為溫度T和偏置電流I的函數(shù)。（b）在代表性溫度下的a的線切割圖。臨界電流隨著溫度的升高而連續(xù)消失。虛線是BKT轉(zhuǎn)變（T_BKT≈180 mK）時的差分電阻。（c）零偏置電阻R隨溫度變化，有兩個溫度尺度，T_BKT和T_P。插圖：在T_BKT時，V-I依賴關(guān)系遵循V ∝I³（虛線）；線條顏色在b中定義。在T_P（大約250 mK）時，R達到正常狀態(tài)電阻的約80%。（d）在50 mK下，差分電阻作為B和I的函數(shù)。臨界電流隨著磁場的增加而連續(xù)消失。（e）零偏置電阻R作為B和T的函數(shù)，臨界場B_C1和B_C2。（f）在代表性磁場下的e的線切割圖。? 2023 Springer Nature

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圖4超導(dǎo)態(tài)的摻雜依賴性。（a）在E ≈8 mV·nm^-1和B = 0的條件下，零偏置電阻R作為溫度T和偏置電流ν的函數(shù)。只有在ν接近1時觀察到超導(dǎo)性。相應(yīng)的正常態(tài)在大約10K附近顯示出電阻峰值。在代表性溫度（b）和填充因子（c）下的a的線切割圖。在c中，T*表示對應(yīng)于電阻最大值的溫度。（d）與c相同，直到4K，作為T²的函數(shù)顯示。? 2023 Springer Nature

本文研究了超導(dǎo)態(tài)的摻雜依賴性，重點關(guān)注絕緣體的上端。圖4a顯示了在B?=?0?T時，R作為T和ν的函數(shù)。代表性溫度下的線切圖在圖4b中展示。僅在ν?=?1附近觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)體兩側(cè)的狀態(tài)都是金屬態(tài)。圖4c顯示了在三個代表性填充因子ν?=?0.9、ν?=?1和ν?=?1.1下，R的溫度依賴性。圖4d顯示了R作為T²的函數(shù)。在填充因子ν?=?1以上的金屬態(tài)表現(xiàn)出費米液體行為，即R?=?R₀?+?AT²（虛線，圖4d），在低溫極限下在一個擴展的溫度范圍內(nèi)成立。

圖5超導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變。（a）在零磁場下，零偏置電阻R作為溫度T和電場E的函數(shù)，當(dāng)ν≈1時。僅在ν接近1時觀察到超導(dǎo)性。相應(yīng)的正常態(tài)在大約10K附近顯示出電阻峰值。（b）代表性電場下a的線切割圖。在臨界場E_C≈11.7 mV·nm^-1附近觀察到超導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變，此時電阻R_C具有最弱的溫度依賴性（虛線）。（c）將歸一化電阻R/R_C在T₀縮放后的溫度下折疊成兩組。? 2023 Springer Nature

作者在臨界電場E_C?≈?11.7?mV?nm^-1附近觀察到了尖銳的超導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變。本文提取了每個E下絕緣態(tài)的熱激活能隙T₀。當(dāng)E從上方接近E_C時，激活能隙連續(xù)消失。當(dāng)用T₀縮放溫度軸時，所有場下的歸一化電阻R/R_C坍縮為兩組曲線。對于超導(dǎo)側(cè)，與其絕緣對應(yīng)物具有相同距離到E_C的T₀給出了最佳縮放。一組坍縮的曲線隨著T/T₀的減小而下降，另一組則發(fā)散。連續(xù)消失的溫度和能量尺度以及在E_C附近電阻曲線的坍縮表明，超導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變是一個連續(xù)的電場誘導(dǎo)量子相變。

該研究揭示了莫爾材料中電子強相關(guān)性對超導(dǎo)性的影響，為理解超導(dǎo)性的本質(zhì)提供了新的視角，以“Superconductivity in twisted bilayer WSe₂”為題發(fā)表在國際頂級期刊Nature上，引起了相關(guān)領(lǐng)域研究人員熱議。

三、【科學(xué)啟迪】

綜上所述，本文在3.5°和3.65°的tWSe₂中觀察到了超導(dǎo)性。觀察到的超導(dǎo)態(tài)具有幾個不尋常的特性，值得進一步研究。首先，超導(dǎo)性僅在扭曲雙層的層間雜化區(qū)域觀察到。在這個區(qū)域，可調(diào)帶隙的TMD莫爾系統(tǒng)是探究量子幾何在超導(dǎo)性中作用的絕佳平臺。其次，超導(dǎo)性強烈局限于ν?=?1附近，遠離vHS（在E?=?0附近ν約為0.75處）。通過調(diào)節(jié)E，超導(dǎo)體連續(xù)演變?yōu)橄嚓P(guān)絕緣體。這種現(xiàn)象與石墨烯莫爾系統(tǒng)中的現(xiàn)象不同，后者通常通過對相關(guān)絕緣體進行摻雜而出現(xiàn)超導(dǎo)性。第三，超導(dǎo)體的正常狀態(tài)是一種強相關(guān)的金屬態(tài)，處于局域邊緣的最小TF?≈?T*（見圖4）。超導(dǎo)態(tài)與兩種不同的金屬態(tài)相鄰：ν?=?1以上的正常費米液體和ν?=?1以下的偏離費米液體行為的金屬態(tài)。這些金屬態(tài)并非自發(fā)地自旋或谷極化，這也與雙層和三層石墨烯中超導(dǎo)性的現(xiàn)象不同。最后，觀察到的超導(dǎo)體處于強配對極限，T_c（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度）約為T_F的1–2%，ξ約為a_M的10倍。這些值與高溫銅氧化物中的T_c/T_F和ξ/a比率相當(dāng)（a為晶格常數(shù)）。本文的實驗為探索由強電子關(guān)聯(lián)驅(qū)動的非常規(guī)超導(dǎo)性在TMD莫爾材料中打開了大門。

原文詳情：Xia, Y., Han, Z., Watanabe, K. et al. Superconductivity in twisted bilayer WSe₂. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08116-2

本文由景行撰稿