研究背景
隨著材料科學和凝聚態物理的發展，Moiré材料引起了廣泛關注。這類材料通過扭曲的二維材料層結構，可以實現平帶電子狀態和強關聯現象，這些特性為研究量子相態提供了新的可能性。平帶的出現與強電子關聯密切相關，使得研究者們對在低維系統中產生的新奇現象充滿期待，尤其是超導性。然而，盡管在石墨烯Moiré材料中觀察到了超導現象，但在其他類型的Moiré材料，特別是半導體Moiré材料中，這一現象的缺失仍然是一個謎。為了解決這一難題，許多科學家集中研究過渡金屬二硫屬化合物（TMD）Moiré材料。TMD材料在單層狀態下被視為帶隙石墨烯，且具有強Ising自旋-軌道耦合。這些材料的可調平帶特性能夠顯著增強關聯效應，從而穩定了Mott絕緣體和重費米子態，并導致了多種拓撲相態的出現。然而，TMD Moiré材料中的超導性一直未能被成功實現，之前的研究僅報告了在摻雜狀態下的潛在超導性，這種狀態對熱循環的穩定性不足，無法深入探討其本質。 鑒于此，美國康奈爾大學Yiyu Xia, Zhongdong Han，單杰&麥健輝等在“Nature”期刊上發表了題為“Superconductivity in twisted bilayer WSe2”的最新論文。本研究通過對3.5°和3.65°扭曲雙層二硒化鎢（WSe2）的電傳輸特性進行系統分析，首次觀察到了穩定的超導性。這一現象發生在接近半帶填充和零外部位移場的條件下，超導轉變溫度約為200mK，顯示出與高溫超導體相似的強配對特征。研究表明，該超導體在半帶填充的邊緣與兩個不同的金屬態相鄰，通過調節外部位移場，可以實現與庫侖誘導的電荷局域化之間的連續過渡。
研究亮點
（1）實驗首次在3.5°和3.65°扭曲雙層二硒化鎢（tWSe2）中觀察到穩定的超導性，揭示了在非石墨烯Moiré材料中實現超導的可能性。（2）實驗通過電傳輸研究，發現超導性在接近半帶填充和零外部位移場的條件下顯現，超導轉變溫度約為200mK，約占有效費米溫度的1-2%。這一結果與高溫銅氧化物超導體的性質相似，提示可能存在強配對機制。（3）所觀察到的超導體在半帶填充的低于和高于兩種金屬態之間存在連續過渡，并且通過調節外部位移場可實現從超導態到關聯絕緣態的轉換。這表明超導性與庫侖誘導的電荷局域化密切相關。
圖文解讀
圖1: 轉角硒化鎢tWSe2的電子結構。
總結展望
本文在3.5°和3.65°的扭曲雙層二硒化鎢（tWSe2）中觀察到了穩定的超導性。所觀察到的超導態具有若干不尋常的特性，值得進一步研究。首先，超導性僅在扭曲雙層的層混合區域觀察到，這一TMD Moiré系統具有可調帶結構，是研究量子幾何在超導性中作用的理想平臺。其次，超導性強烈集中在填充因子ν=1附近，遠離高峰狀態（ν≈0.75，E≈0）。通過調節電場E，超導體可以連續演化為關聯絕緣體。這一現象與石墨烯Moiré系統中的超導性不同，后者通常是通過摻雜關聯絕緣體實現的。第三，超導體的正常態是強關聯金屬，接近于局域化狀態。超導態與兩種不同的金屬態相接近：填充因子ν>1的良好費米液體和填充因子ν<1的偏離費米液體行為的金屬態。這些金屬態并不自發地自旋或谷極化，這與雙層和三層石墨烯中的超導現象也是不同的。最后，所觀察到的超導體處于強配對極限，超導轉變溫度TC約為有效費米溫度TF的1-2%，相干長度ξ約為晶格常數a的10倍。這些值與高溫超導體中的TC/TF和ξ/a比值相當。對其他扭轉角度和不同TMD的樣品進行傳輸實驗，以及磁圓二色性測量，可以幫助解決超導體周圍的關聯絕緣體和正常金屬態的性質等問題。實驗為探索由強電子關聯驅動的TMD Moiré材料中的非常規超導性打開了大門。 Xia, Y., Han, Z., Watanabe, K. et al. Superconductivity in twisted bilayer WSe2. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08116-2
