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研究背景

隨著對(duì)低維材料及其相關(guān)現(xiàn)象的研究不斷深入，Moiré材料因其獨(dú)特的電子特性和潛在的應(yīng)用前景而引起了廣泛關(guān)注。Moiré材料通過(guò)周期性堆疊形成的平帶電子結(jié)構(gòu)，使得強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)得以顯現(xiàn)，進(jìn)而激發(fā)出多種量子相態(tài)，包括超導(dǎo)性、Mott絕緣體等。然而，盡管在石墨烯Moiré材料中觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象，在其他Moiré材料（如過(guò)渡金屬二硫?qū)倩衔铮┲?，穩(wěn)定的超導(dǎo)性依然是一個(gè)未解之謎，這對(duì)我們理解平帶中的超導(dǎo)機(jī)制提出了挑戰(zhàn)。

此前的研究雖然探討了TMD Moiré材料中的電子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了Mott絕緣體和Wigner晶體等態(tài)，但對(duì)其超導(dǎo)性卻缺乏深入理解。一項(xiàng)早期研究曾報(bào)道通過(guò)摻雜手段在扭曲雙層二硒化鎢（tWSe₂）中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài)，但該態(tài)在熱循環(huán)中表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，進(jìn)一步限制了我們對(duì)TMD Moiré材料中超導(dǎo)現(xiàn)象的理解。

成果簡(jiǎn)介

為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)康奈爾大學(xué)Yiyu Xia, Zhongdong Han，Jie Shan & Kin Fai Mak等在Nature期刊上發(fā)表了題為“Superconductivity in twisted bilayer WSe₂”的最新論文。科學(xué)家們開(kāi)展了關(guān)于AA堆疊的3.5°和3.65° tWSe₂的電傳輸研究。研究發(fā)現(xiàn)，在接近半帶填充和零外部位移場(chǎng)的條件下，tWSe₂中出現(xiàn)了穩(wěn)定的超導(dǎo)性。

該超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為200 mK，占有效費(fèi)米溫度的1-2%，與高溫超導(dǎo)體的表現(xiàn)相似。這一發(fā)現(xiàn)不僅展示了TMD Moiré材料中的強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，還表明超導(dǎo)性可能與庫(kù)侖誘導(dǎo)的電荷局域化邊緣相接近，暗示超導(dǎo)狀態(tài)的形成與強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)密切相關(guān)。

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資料顯示，本文的第一作者是南瑞集團(tuán)有限公司Yiyu Xia；此外，第二作者Zhongdong Han是北京大學(xué)校友，并且以上兩人均為本文的通訊作者！

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次觀察到在3.5°和3.65°扭曲雙層二硒化鎢（tWSe₂）中出現(xiàn)穩(wěn)定的超導(dǎo)性，表明該材料在Moiré結(jié)構(gòu)中具有強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)特性。

2. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)電傳輸研究，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性在接近半帶填充和零外部位移場(chǎng)時(shí)顯現(xiàn)。最優(yōu)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為200 mK，相當(dāng)于有效費(fèi)米溫度的1-2%，提示強(qiáng)電子配對(duì)機(jī)制的存在。

3. 研究表明該超導(dǎo)體在低于和高于半帶填充時(shí)分別表現(xiàn)為兩種不同的金屬態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)外部位移場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)從超導(dǎo)態(tài)向關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)的連續(xù)過(guò)渡。

4. 此外，所觀察到的超導(dǎo)性位于庫(kù)侖誘導(dǎo)的電荷局域化的邊緣，進(jìn)一步支持了強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)的根源。該結(jié)果為探索TMD Moiré材料中的超導(dǎo)性和相關(guān)物理現(xiàn)象提供了新的視角。

圖文解讀

圖1: 轉(zhuǎn)角硒化鎢tWSe₂的電子結(jié)構(gòu)。

圖2: 半帶填充周?chē)牧汶娮鑵^(qū)。

圖3: 半帶填充時(shí)的超導(dǎo)電性。

圖4: 超導(dǎo)態(tài)的摻雜依賴(lài)性。

圖5: 超導(dǎo)體到絕緣體的轉(zhuǎn)變。

結(jié)論展望

本文的研究為理解強(qiáng)電子相關(guān)性驅(qū)動(dòng)的非常規(guī)超導(dǎo)性提供了新的視角，尤其是在扭轉(zhuǎn)雙層WSe₂（tWSe₂）系統(tǒng)中觀察到的超導(dǎo)狀態(tài)。首先，超導(dǎo)性?xún)H在層間混合的區(qū)域出現(xiàn)，表明量子幾何在超導(dǎo)機(jī)制中可能扮演重要角色。這為探索拓?fù)洳牧现械某瑢?dǎo)現(xiàn)象開(kāi)辟了新路徑。其次，超導(dǎo)體的正常態(tài)是一個(gè)強(qiáng)相關(guān)金屬，這種狀態(tài)在ν=1附近與其他金屬態(tài)相連，而不是像石墨烯中的情況那樣通過(guò)摻雜相關(guān)絕緣體來(lái)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了不同材料體系中超導(dǎo)現(xiàn)象的獨(dú)特性。此外，研究還表明，超導(dǎo)相位與非常規(guī)金屬態(tài)的相互作用復(fù)雜，且在強(qiáng)配對(duì)極限下具有顯著的轉(zhuǎn)變溫度與特征長(zhǎng)度。

文獻(xiàn)信息

Xia, Y., Han, Z., Watanabe, K. et al. Superconductivity in twisted bilayer WSe₂.?Nature?(2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/11/02/d4b33aa5ad/

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