今天要給大家介紹一對科研伉儷，他們是康奈爾大學的麥健輝（Kin Fai Mak）教授和單傑教授。目前，這兩位傑出的學者均在康奈爾大學從事研究工作。他們的主要研究領域涉及探索原子級薄材料及其異質結構中的新物理現象，包括、二維量子材料及其異質結構、固體中的Berry曲率效應、二維超導和激子凝聚、磁性以及強相關物理學等方面。截至目前，他們已經在多個重要學術期刊上發表了許多傑出的研究成果，其中包括10篇在《Nature》上發表的研究論文以及30餘篇發表在《Nature Materials》、《Nature Nanotechnology》、《Nature Physics》和《Nature Photonics》等大子刊上的重要研究論文。
單傑教授（左）和麥健輝教授（右）
2024年10月30日，他們的研究成果再次發表在《Nature》上，下面，小編就帶大家來了解一下他們的最新成果。
扭曲雙層 WSe2 中的超導
莫爾材料（Moire materials）是一類具有特定疊加結構的材料，通常由兩層或多層二維材料（如石墨烯、過渡金屬二硫化物等）以特定角度疊加而成。因其獨特的幾何結構，莫爾材料展現出許多有趣的物理特性，這些特性與單層材料截然不同。莫爾材料已經能夠實現由與平帶相關的強相關性驅動的平電子帶和量子相。超導性已被觀察到，但僅限於石墨烯莫爾材料。除了石墨烯之外，莫爾材料（例如半導體莫爾材料）缺乏強大的超導性仍然是一個謎，並挑戰了我們目前對平帶超導性的理解。
在這裡，康奈爾大學的麥健輝（Kin Fai Mak）教授和單傑教授課題組報告了在 3.5° 和 3.65° 扭曲雙層二硒化鎢 (WSe2) 中觀察到的魯棒超導性，該雙層二硒化鎢具有六角形莫爾晶格。超導性出現在半帶填充和零外部位移場附近。在這兩種情況下，最佳超導轉變溫度約為 200 mK，約佔有效費米溫度的 1-2%；後者與高溫銅酸鹽超導體的值相當，表明強配對。超導體與半帶填充下方和上方的兩種不同金屬接壤；透過調整外部位移場，它會連續過渡到相關絕緣體。觀察到的處於庫侖感應電荷局域邊緣的超導性表明其根源在於強電子相關性。相關成果以“Superconductivity in twisted bilayer WSe 2”為題發表在《Nature》上，Yiyu Xia,和Zhongdong Han為共同一作兼共同通訊。
圖1a顯示了本研究所用的雙柵極tWSe 2器件示意圖，支援形成六邊形莫爾晶格（圖1b）。頂、底柵極由六方氮化硼和石墨層構成，獨立調節孔莫爾填充因子ν和垂直電場E。頂柵限定器件溝道，鈀（Pd）分裂柵防止平行溝道導電。Pt接觸電極和Pd接觸柵用於實現低溫歐姆接觸，接觸電阻介於10kΩ至40kΩ之間。圖1c展示了3.65° tWSe2在E=0時的前兩個莫爾價帶的電子能帶結構，這些能帶由單層WSe2的自旋谷鎖定的電子態構成，僅示例顯示了K谷。兩個莫爾帶的陳數為+1，在高電場下可過渡至非拓撲帶（圖1d）。圖1d顯示了費米能級的電子態密度（DOS），E=0時，DOS在ν=0.75處顯示範霍夫奇點(vHS)，由莫爾布里淵區m點的鞍點導致。圖1e顯示10K時的縱向電阻R圖，反映出E=0附近的大電阻區，多個相關絕緣態（ν = 1/4、ν = 1/3和ν = 1）在圖中清晰可見。進一步降溫至50mK（圖1f）後，R圖特徵更顯著，形成的條帶顯示出半帶填充（ν = 1）相關絕緣態中電阻消失的現象，圖1d與圖1f的表現一致，支援了對vHS位置的分配。
圖 1：tWSe2 的電子結構
半帶填充超導
在圖2中，作者放大了填充因子ν=1和電場E=0附近的相空間，並用虛線標示出50 mK下的零電阻區域（圖2a）。該零電阻狀態與裝置的測量配置無關，且在經歷超過十次熱迴圈後仍然穩定。然而，該狀態對熱和磁場敏感，在300 mK（圖2b）或50 mK下施加50 mT外磁場（圖2c）時會被淬滅。此外，零電阻態在ν=0.75和E=0附近與範霍夫奇點（vHS）無關，並位於兩種不同金屬態的邊界上。
圖 2：半帶填充周圍的零電阻區域
作者研究了絕緣體頂端零電阻態在偏置電流I、溫度T和磁場B下的響應（圖3）。圖3a顯示了在B = 0 T下微分電阻dV/dI隨溫度和偏置電流的變化情況；當溫度低於約180 mK（圖3b虛線）時，需超過臨界電流才能打破零電阻態，50 mK下該值約為5 nA。隨著溫度上升，臨界電流逐漸減小。圖3c展示了零偏壓電阻隨溫度的變化，顯示出250 mK左右的下降，並在180 mK時達到零電阻。磁場下的響應（圖3d-f）也顯示，隨著B增大，零電阻臨界場BC1約為6 mT。零電阻狀態在更高的臨界場BC2（約80 mT）上轉變為正常態，且在此間電阻隨磁場線性增加。透過BKT分析，作者確定了庫珀對開始配對的溫度TP（約250 mK）和準長程相干性溫度TBKT（約180 mK），表明二維超導行為。實驗資料支援BC1和BC2分別對應零電阻態和有限電阻態的臨界場，並與二維晶體超導體的移動渦流特徵一致。
圖 3：半帶填充時的超導性
超導體的摻雜依賴性
作者研究了超導態對摻雜的依賴性，特別是絕緣體上端附近的情況。圖4a展示了B = 0 T時電阻R隨溫度T和填充因子ν的變化，僅在ν = 1附近觀察到超導性。最佳TBKT在ν ≈ 1處略低於200 mK（圖4a中藍色和橙色符號）。在ν = 1兩側的狀態均為金屬態。圖4d表明，當填充因子超過1時，金屬態表現出費米液體行為，並定義相干溫度Tcoh作為該行為偏離10%的溫度。填充因子從上方接近1時，Tcoh快速下降，準粒子有效質量隨之增大（圖4d插圖）。在ν = 1以下的金屬態和超導體的正常態與費米液體不相容，並表現出在高溫T下的電阻峰值（圖4b, c），T分界了相干和非相干傳輸區域，並作為有效費米溫度TF的量度。ν = 1時T*約為10 K，遠低於單粒子TF（約100 K，圖1c）。結果表明，超導體的正常態來自貧金屬，其接近因強電子相關性導致的電荷局域化邊緣。
圖 4：超導態的摻雜依賴性
超導體-絕緣體轉變
在填充因子ν = 1附近，透過電場調控的超導體-絕緣體轉變表明了超導體正常態的電荷局域特性。圖5a顯示了電阻R隨溫度T和電場E的變化，高於約4 K時的曲線趨於一致，臨界電場EC ≈ 11.7 mV nm −1處則出現顯著的轉變，電阻RC在此處表現出最弱的溫度依賴性（圖5b）。圖5c顯示了EC附近電阻曲線的歸一化收斂和分散情況。透過對不同E處的絕緣態熱啟用間隙T0進行縮放處理，電阻曲線被分為兩組，其中超導側和絕緣側曲線分別縮放得當。超導側溫標TBKT和TP在E接近EC時逐漸消失，這種溫標和能量尺度的減弱以及電阻曲線的收斂表明，超導體-絕緣體轉變是一種由電場誘導的連續量子相變。
圖 5：超導體到絕緣體的轉變
小結
在3.5°和3.65°扭曲角的tWSe 2中觀察到了顯著的超導性，其特性具有研究價值。首先，超導性僅出現於層雜化區域內，這一特性使具有可調節能帶的TMD莫爾系統成為研究量子幾何在超導中的作用的理想平臺。其次，超導性強烈侷限於填充因子ν = 1附近，遠離範霍夫奇點vHS（在E = 0附近的ν ≈ 0.75）。透過調節電場E，超導體逐漸轉變為相關絕緣體，與石墨烯莫爾系統中超導通常透過摻雜實現的現象不同。第三，超導體的正常態是一種強相關金屬，最小有效費米溫度TF ≈ T*接近局域化邊緣，並且在ν = 1上下接壤兩種不同的金屬態：ν > 1時表現為費米液體，ν < 1時偏離費米液體行為。最後，tWSe2中的超導處於強配對極限，轉變溫度TC約為TF的1-2%，且相干長度接近莫爾週期的10倍，這與高TC銅酸鹽材料的情況類似。研究不同扭轉角及TMD材料的樣品，有助於深入理解相關絕緣體和超導體周圍的金屬態。此研究揭示了TMD莫爾材料中強電子相關性導致的非常規超導現象的潛力。
來源：高分子科學前沿
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