Nature：扭曲双层WSe2中的超导性

一、【科学背景】

旋转双层石墨烯中超导性的发现引发了对莫尔材料的深入研究。具体来说，单层极限下的过渡金属二硫属化物(TMD)半导体MX₂（其中M为Mo或W，X为S、Se或Te）可被视为具有强伊辛自旋轨道耦合的有间隙石墨烯；TMD莫尔材料已成为研究物质关联相和拓扑相的简单而丰富的模型系统。这些材料中可调的莫尔平带可大大增强关联效应，从而稳定了莫特绝缘体广义维格纳晶体和重费米子。相关性和非平凡能带拓扑相结合，进一步引发了整数和分数陈绝缘体以及分数量子自旋霍尔绝缘体，后者在任何其他材料中都未观察到。然而，超导性——无论有没有莫尔效应的石墨烯平带系统的标志——在TMD莫尔材料中仍然难以实现。早期研究报告通过掺杂关联绝缘体在扭曲双层二硒化钨（tWSe₂）中观察到潜在的超导状态，但该状态似乎对重复的热循环不稳定。

二、【创新成果】

近日，康奈尔大学研究人员报道了在3.5°和3.65°tWSe₂中观察到的稳健超导性，它具有六方莫尔晶格。超导出现在半带填充和零外部位移场附近。在两种情况下，最佳超导转变温度均为约200 mK，约占有效费米温度的1-2%；后者的值与高温铜氧化物超导体中的值相当，表明存在强配对。超导体在半能带填充以下和以上与两种不同的金属接壤；通过调整外部位移场，它经历了向关联绝缘体的连续转变。在库仑诱导电荷局域化的边缘观察到的超导性表明根源在于强电子关联。

图1tWSe₂的电子结构。（a）双栅tWSe₂器件的示意图。两个栅都是由六角氮化硼（hBN）和几层石墨（Gr）制成，其中较窄的顶层栅定义了tWSe₂通道。顶层栅和底栅电压（分别为Vtg和Vbg）控制tWSe₂中的垂直电场E和空穴填充因子ν。铂被用作与tWSe₂接触的电极。额外的钯（Pd）接触栅和分裂栅电压分别用于打开Pt接触和关闭并行通道（仅显示一个栅）。（b）tWSe₂的六角Moiré晶格，其中MX（红色）和XM（蓝色）堆叠位点。黑色和灰色点分别表示M（W）和X（Se）原子。c.来自连续模型的3.65° tWSe₂的K谷态的最高Moiré价带。两个带都带有Chern数+1。相应的K'谷态的带带有Chern数−1。14.2毫电子伏特的价带最大值对应于ν=0。虚线标记了与d图中相同颜色点相对应的费米能级。（d）电子态密度（DOS）与E和ν的关系。vHS（ν≈0.75在E=0）随着E的增加而向更高的ν分散。插图：当ν通过vHS时，费米面在E=0时从以Moiré布里渊区的κ/κ'为中心的不连续空穴口袋（黄色）演变为以γ（黑色）为中心的单个电子口袋。10K（e）和50毫K（f）下，纵向电阻R作为E和ν的函数。f中的虚线（作为视觉辅助）分隔了层杂化和层极化区域。© 2023 Springer Nature

本研究中使用了双栅tWSe₂设备。顶部和底部门由多层六边形硼氮化物和石墨制成。它们独立调节空穴莫尔填充因子ν以及垂直于tWSe₂的电场E（或等效地，层间电势差）。较窄的顶门定义了设备通道，并且额外设计了钯（Pd）分割门以关闭任何并行导电通道。为了实现与tWSe₂的欧姆接触直至毫开尔文温度，本文使用铂（Pt）接触电极和Pd接触门，接触门在紧邻Pt电极的tWSe₂区域诱导出重孔掺杂，实现了10千欧至40千欧之间的接触电阻。

图2在半带填充附近的零电阻区域。（a-c）不同温度和外加磁场下，纵向电阻R作为E和ν的函数，接近E=0和ν=1。b和c中的虚线是50 mK时观察到的零电阻区域的辅助线（a）。通过将样品温度提高到300 mK（b）或施加50 mT的平面外磁场（c），零电阻状态被抑制。c中，半带填充下方和上方的金属态对磁场不敏感。© 2023 Springer Nature

作者重点观察了ν = 1和E = 0附近的相空间。虚线标示出了在50 mK时电阻为零的区域。对于1.5 µm×8 µm的均匀莫尔区域，零电阻状态与测量配置无关。该状态对重复的热循环具有鲁棒性，然而，该状态对热激发和外部磁场都很敏感。例如，当样品被加热到300 mK时，以及在50 mK下施加50 mT的垂直磁场时，该状态会被消除。

图3半带填充时的超导性。（a）在零外加磁场下，差分电阻dV/dI作为温度T和偏置电流I的函数。（b）在代表性温度下的a的线切割图。临界电流随着温度的升高而连续消失。虚线是BKT转变（T_BKT≈180 mK）时的差分电阻。（c）零偏置电阻R随温度变化，有两个温度尺度，T_BKT和T_P。插图：在T_BKT时，V-I依赖关系遵循V∝I³（虚线）；线条颜色在b中定义。在T_P（大约250 mK）时，R达到正常状态电阻的约80%。（d）在50 mK下，差分电阻作为B和I的函数。临界电流随着磁场的增加而连续消失。（e）零偏置电阻R作为B和T的函数，临界场B_C1和B_C2。（f）在代表性磁场下的e的线切割图。© 2023 Springer Nature

图4超导态的掺杂依赖性。（a）在E≈8 mV·nm^-1和B = 0的条件下，零偏置电阻R作为温度T和偏置电流ν的函数。只有在ν接近1时观察到超导性。相应的正常态在大约10K附近显示出电阻峰值。在代表性温度（b）和填充因子（c）下的a的线切割图。在c中，T*表示对应于电阻最大值的温度。（d）与c相同，直到4K，作为T²的函数显示。© 2023 Springer Nature

本文研究了超导态的掺杂依赖性，重点关注绝缘体的上端。图4a显示了在B = 0 T时，R作为T和ν的函数。代表性温度下的线切图在图4b中展示。仅在ν = 1附近观察到超导现象。超导体两侧的状态都是金属态。图4c显示了在三个代表性填充因子ν = 0.9、ν = 1和ν = 1.1下，R的温度依赖性。图4d显示了R作为T²的函数。在填充因子ν = 1以上的金属态表现出费米液体行为，即R = R₀ + AT²（虚线，图4d），在低温极限下在一个扩展的温度范围内成立。

图5超导体-绝缘体转变。（a）在零磁场下，零偏置电阻R作为温度T和电场E的函数，当ν≈1时。仅在ν接近1时观察到超导性。相应的正常态在大约10K附近显示出电阻峰值。（b）代表性电场下a的线切割图。在临界场E_C≈11.7 mV·nm^-1附近观察到超导体-绝缘体转变，此时电阻R_C具有最弱的温度依赖性（虚线）。（c）将归一化电阻R/R_C在T₀缩放后的温度下折叠成两组。© 2023 Springer Nature

作者在临界电场E_C≈ 11.7 mV nm^-1附近观察到了尖锐的超导体-绝缘体转变。本文提取了每个E下绝缘态的热激活能隙T₀。当E从上方接近E_C时，激活能隙连续消失。当用T₀缩放温度轴时，所有场下的归一化电阻R/R_C坍缩为两组曲线。对于超导侧，与其绝缘对应物具有相同距离到E_C的T₀给出了最佳缩放。一组坍缩的曲线随着T/T₀的减小而下降，另一组则发散。连续消失的温度和能量尺度以及在E_C附近电阻曲线的坍缩表明，超导体-绝缘体转变是一个连续的电场诱导量子相变。

该研究揭示了莫尔材料中电子强相关性对超导性的影响，为理解超导性的本质提供了新的视角，以“Superconductivity in twisted bilayer WSe₂”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

综上所述，本文在3.5°和3.65°的tWSe₂中观察到了超导性。观察到的超导态具有几个不寻常的特性，值得进一步研究。首先，超导性仅在扭曲双层的层间杂化区域观察到。在这个区域，可调带隙的TMD莫尔系统是探究量子几何在超导性中作用的绝佳平台。其次，超导性强烈局限于ν = 1附近，远离vHS（在E = 0附近ν约为0.75处）。通过调节E，超导体连续演变为相关绝缘体。这种现象与石墨烯莫尔系统中的现象不同，后者通常通过对相关绝缘体进行掺杂而出现超导性。第三，超导体的正常状态是一种强相关的金属态，处于局域边缘的最小TF ≈ T*（见图4）。超导态与两种不同的金属态相邻：ν = 1以上的正常费米液体和ν = 1以下的偏离费米液体行为的金属态。这些金属态并非自发地自旋或谷极化，这也与双层和三层石墨烯中超导性的现象不同。最后，观察到的超导体处于强配对极限，T_c（超导转变温度）约为T_F的1–2%，ξ约为a_M的10倍。这些值与高温铜氧化物中的T_c/T_F和ξ/a比率相当（a为晶格常数）。本文的实验为探索由强电子关联驱动的非常规超导性在TMD莫尔材料中打开了大门。

原文详情：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