5.0°扭曲双层WSe2中的超导性
背景介绍
近年来，扭转双层和三层石墨烯中的超导性发现引发了广泛关注。这些系统的关键特征在于层间耦合与莫尔超晶格之间的相互作用，导致了低能平坦带的出现，这些平坦带具有强关联性。类似的平坦带也可以通过其他二维材料（如过渡金属二硫化物，TMDs）的晶格失配或扭转异质结构中的莫尔图案诱导产生。尽管在莫尔TMDs中已经观察到了多种关联现象，但超导性的稳健实验证据仍然缺乏。本文报告了在5.0°扭转双层WSe₂中观察到的超导性，最高临界温度为426 mK。这一发现表明，莫尔平坦带超导性不仅限于石墨烯结构，TMDs中的本征特性（如带隙、强自旋-轨道耦合、自旋-谷锁定和磁性）为探索更广泛的超导参数空间提供了可能性。
论文来源
本文由Yinjie Guo、Jordan Pack、Joshua Swann等作者共同撰写，作者来自哥伦比亚大学、田纳西大学、日本国立材料科学研究所等多个机构。论文于2025年1月23日发表在《Nature》期刊上，题为“Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe₂”。
研究流程与结果
1. 设备制备与实验设计
研究团队首先制备了5.0°扭转双层WSe₂（twisted bilayer WSe₂, tWSe₂）设备。设备采用AA堆叠结构，通过干转移法将剥离的WSe₂层堆叠在SiO₂基底上。为了增加位移场和密度范围，研究团队使用了薄层氮化硼（BN）作为介电间隔层。顶部和底部栅极由少层石墨制成，接触区域使用石墨和RuCl₃作为电荷转移掺杂剂。设备的结构设计包括三个栅极，用于调节通道密度和位移场。
2. 电子传输测量
研究团队在低温环境下进行了电子传输测量，包括四端和两端电阻测量。通过低频率锁相技术，研究团队测量了不同温度和磁场下的电阻变化。实验结果显示，在零位移场下，未观察到关联行为；然而，当施加位移场使莫尔带的范霍夫奇点（van Hove singularity, VHS）接近半填充时，出现了超导性区域。超导态出现在与金属态相邻的有限区域内，金属态被认为是由反铁磁（AFM）序引起的费米面重构。
3. 超导性与磁性相的相互作用
通过施加垂直磁场抑制超导性，研究团队进一步研究了超导性与磁性相的相互作用。实验数据显示，超导性与磁性相之间存在明显的边界，类似于自旋涨落介导的超导性。研究团队还通过理论计算分析了位移场对密度态和波矢依赖的磁化率的影响，发现随着位移场的增加，磁化率增加，但费米面的嵌套性降低。这表明在超过临界位移场时，斯托纳准则（Stoner criterion）得到满足，导致磁性序的出现。
4. 温度依赖性研究
研究团队还研究了超导性随温度的变化。实验结果显示，随着温度的升高，超导性区域逐渐缩小，最终仅剩下与磁性相相关的电阻增加区域。这一现象进一步证实了超导性与磁性相之间的密切关系。
结论与意义
本文首次在5.0°扭转双层WSe₂中观察到了超导性，最高临界温度为426 mK。这一发现表明，莫尔平坦带超导性不仅限于石墨烯结构，TMDs中的本征特性为探索更广泛的超导参数空间提供了可能性。研究还揭示了超导性与磁性相之间的相互作用，表明自旋涨落可能在超导配对中起到了关键作用。这一发现为理解二维材料中的强关联现象提供了新的视角，并为未来设计新型超导材料提供了重要参考。
研究亮点
- 首次在扭转双层WSe₂中观察到超导性：这一发现扩展了莫尔平坦带超导性的研究范围。
- 超导性与磁性相的相互作用：研究揭示了超导性与磁性相之间的密切关系，表明自旋涨落可能在超导配对中起到了关键作用。
- 温度依赖性研究：通过研究超导性随温度的变化，进一步证实了超导性与磁性相之间的关系。
其他有价值的信息
研究团队还开发了一种新型设备制备方法，通过干转移法和RuCl₃掺杂技术实现了高质量的接触。这一方法为未来研究其他二维材料中的关联现象提供了重要参考。
本文的研究不仅为理解二维材料中的超导性提供了新的视角，还为未来设计新型超导材料提供了重要参考。