扭曲双层WSe2中发现稳定超导性!

【研究背景】

Moiré材料是由两个或多个二维材料以特定角度堆叠而成的结构，这种结构因其独特的电子性质而在凝聚态物理、材料科学和电子工程等领域引起了广泛关注。与传统的半导体材料相比，Moiré材料在实现平带电子和强电子关联现象方面展现出显著优势。这些特性为超导性、拓扑绝缘体和其他量子相态的研究提供了新的可能性。然而，Moiré材料也面临一些挑战，例如在非石墨烯材料中超导性的不稳定性以及对现有理论的解释困难。

近日，来自美国康奈尔大学Jie Shan 以及Kin Fai Mak教授课题组的团队在扭曲双层二硒化钨（tWSe2）研究中取得了重要进展。该团队成功设计和制备了3.5°和3.65°的AA堆叠tWSe2，观察到了在接近半带填充和零外部位移场条件下的稳定超导性。这一发现显著提高了对Moiré材料中电子关联现象的理解。利用电传输实验，研究人员确认了超导状态的存在，并指出其与库仑诱导的电荷局域化相邻，表明强电子关联可能是其根源。

通过这些研究，该团队不仅验证了超导性在TMD Moiré材料中的潜在应用，还成功获得了超导转变温度约200 mK的结果，这一数值与高温超导体的费米温度相当，暗示了强配对机制的存在。这一成果为未来的Moiré材料研究提供了新的视角，拓展了超导材料的应用前景，并为开发新型量子材料奠定了基础。

【表征解读】

本文通过低温电输运测量和量子振荡实验发现了在扭曲双层WSe₂（tWSe₂）中强韧的超导性，从而揭示了量子几何在超导性中的重要作用。针对该现象，通过高分辨率的电测量手段，研究人员观察到超导态仅出现在层混合区域，并与填充因子ν接近1的区域强烈相关，这为理解超导性的微观机制提供了新的视角。

研究表明，tWSe₂超导体的正常态为强关联金属，接近于局域化边界。在此基础上，实验团队利用电子测量和光学显微镜技术，深入分析了超导体周围的两种金属态：一种表现出良好的费米液体行为，另一种则在ν接近1时明显偏离费米液体特征。这种现象不同于石墨烯莫尔材料中超导性出现的方式，强调了tWSe₂在超导性研究中的独特性。

此外，研究还采用了霍夫施泰特振荡实验和量子振荡测量技术，精确确定了扭角和莫尔密度。通过这些表征手段，研究人员揭示了tWSe₂超导体的电荷填充特性，并分析了层极化区域中的兰道能级结构。这些结果表明，超导态与材料的电子结构和相互作用密切相关，为进一步研究超导机制奠定了基础。

总结而言，经过多种表征手段的深入分析，本文揭示了tWSe₂中超导现象的复杂性和多样性。研究团队不仅制备了新型超导材料，还推动了对非常规超导性和强电子关联效应的理解，为未来的材料设计和应用提供了重要参考。这项研究为探索拓扑超导性和量子材料的应用奠定了重要基础，具有广泛的前景和潜力。

【图文速递】

图1: 转角硒化钨tWSe2的电子结构。

图2: 半带填充周围的零电阻区。

图3: 半带填充时的超导电性。

图4: 超导态的掺杂依赖性。

图5: 超导体到绝缘体的转变。

【科学启迪】

本文的研究揭示了在扭曲双层WSe2中观察到的强健超导性，提供了对非常规超导现象的深刻理解。首先，该超导态只存在于层混合区域，表明扭曲莫尔材料在探索量子几何对超导性的影响方面具有重要潜力。此外，超导性在接近填充因子ν=1时强烈局限，而与费米液体行为的偏离在ν<1的金属态中尤为明显。这种现象不同于石墨烯莫尔体系中的超导机制，提示我们在研究强电子相关材料时需要考虑新的视角。其次，研究表明正常态是一种强相关金属，处于局域化的边缘，暗示出超导体周围的金属态具有复杂的电子相互作用特性。最后，实验结果为探索TMD莫尔材料中由强电子相关驱动的非常规超导性开辟了新的道路。未来的研究可以通过不同扭角的样品和TMD材料的运输实验，以及磁圆二色性测量，进一步探讨这些相关绝缘体和超导体的本质，从而加深对超导机制的理解。

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