Supraconductivité dans le WSe2 bicouche torsadé à 5.0°
Contexte
Ces dernières années, la découverte de la supraconductivité dans le graphène bicouche et tricouche torsadé a suscité un vif intérêt. La caractéristique clé de ces systèmes réside dans l’interaction entre le couplage intercouches et le superréseau de moiré, qui conduit à l’apparition de bandes plates à faible énergie présentant de fortes corrélations. Des bandes plates similaires peuvent également être induites par des motifs de moiré dans des hétérostructures de matériaux bidimensionnels (tels que les dichalcogénures de métaux de transition, TMDs) présentant un désaccord de réseau ou une torsion. Bien que divers phénomènes corrélés aient été observés dans les TMDs de moiré, des preuves expérimentales robustes de supraconductivité restent rares. Cet article rapporte l’observation de la supraconductivité dans un bicouche de WSe₂ torsadé à 5,0°, avec une température critique maximale de 426 mK. Cette découverte montre que la supraconductivité des bandes plates de moiré ne se limite pas aux structures de graphène, et que les propriétés intrinsèques des TMDs (telles que le gap de bande, le fort couplage spin-orbite, le verrouillage spin-valley et le magnétisme) offrent la possibilité d’explorer un espace paramétrique supraconducteur plus large.
Source de l’article
Cet article a été co-écrit par Yinjie Guo, Jordan Pack, Joshua Swann et d’autres auteurs, issus de plusieurs institutions telles que l’Université Columbia, l’Université du Tennessee et le National Institute for Materials Science au Japon. L’article a été publié le 23 janvier 2025 dans la revue Nature, sous le titre “Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe₂”.
Processus et résultats de la recherche
1. Fabrication de l’appareil et conception expérimentale
L’équipe de recherche a d’abord fabriqué un dispositif de bicouche de WSe₂ torsadé à 5,0° (twisted bilayer WSe₂, tWSe₂). Le dispositif utilise une structure empilée de type AA, obtenue par la méthode de transfert à sec de couches de WSe₂ exfoliées sur un substrat de SiO₂. Pour augmenter la plage de champ de déplacement et de densité, l’équipe a utilisé du nitrure de bore (BN) en couche mince comme espaceur diélectrique. Les grilles supérieure et inférieure sont constituées de graphite multicouche, et la région de contact utilise du graphite et du RuCl₃ comme dopant de transfert de charge. La conception du dispositif comprend trois grilles pour ajuster la densité du canal et le champ de déplacement.
2. Mesures de transport électronique
L’équipe a effectué des mesures de transport électronique à basse température, incluant des mesures de résistance à quatre et deux terminaux. En utilisant une technique de détection synchrone à basse fréquence, l’équipe a mesuré les variations de résistance à différentes températures et champs magnétiques. Les résultats expérimentaux montrent qu’aucun comportement corrélé n’est observé en l’absence de champ de déplacement ; cependant, lorsqu’un champ de déplacement est appliqué pour rapprocher la singularité de van Hove (VHS) de la bande de moiré du demi-remplissage, une région de supraconductivité apparaît. L’état supraconducteur se manifeste dans une zone limitée adjacente à un état métallique, ce dernier étant attribué à une reconstruction de la surface de Fermi due à un ordre antiferromagnétique (AFM).
3. Interaction entre supraconductivité et phase magnétique
En appliquant un champ magnétique perpendiculaire pour supprimer la supraconductivité, l’équipe a approfondi l’étude de l’interaction entre la supraconductivité et la phase magnétique. Les données expérimentales révèlent une frontière nette entre la supraconductivité et la phase magnétique, rappelant la supraconductivité médiée par les fluctuations de spin. L’équipe a également analysé théoriquement l’effet du champ de déplacement sur la densité d’états et la susceptibilité magnétique dépendante du vecteur d’onde, constatant que la susceptibilité magnétique augmente avec le champ de déplacement, mais que l’emboîtement de la surface de Fermi diminue. Cela suggère qu’au-delà d’un champ de déplacement critique, le critère de Stoner est satisfait, conduisant à l’apparition d’un ordre magnétique.
4. Étude de la dépendance en température
L’équipe a également étudié l’évolution de la supraconductivité avec la température. Les résultats expérimentaux montrent que la région supraconductrice se rétrécit progressivement à mesure que la température augmente, ne laissant finalement qu’une zone d’augmentation de la résistance associée à la phase magnétique. Ce phénomène confirme davantage la relation étroite entre la supraconductivité et la phase magnétique.
Conclusion et signification
Cet article rapporte pour la première fois l’observation de la supraconductivité dans un bicouche de WSe₂ torsadé à 5,0°, avec une température critique maximale de 426 mK. Cette découverte montre que la supraconductivité des bandes plates de moiré ne se limite pas aux structures de graphène, et que les propriétés intrinsèques des TMDs offrent la possibilité d’explorer un espace paramétrique supraconducteur plus large. L’étude révèle également l’interaction entre la supraconductivité et la phase magnétique, suggérant que les fluctuations de spin pourraient jouer un rôle clé dans l’appariement supraconducteur. Cette découverte offre une nouvelle perspective pour comprendre les phénomènes de forte corrélation dans les matériaux bidimensionnels et fournit une référence importante pour la conception future de nouveaux matériaux supraconducteurs.
Points forts de la recherche
- Première observation de la supraconductivité dans un bicouche de WSe₂ torsadé : Cette découverte élargit le champ de recherche sur la supraconductivité des bandes plates de moiré.
- Interaction entre supraconductivité et phase magnétique : L’étude révèle une relation étroite entre la supraconductivité et la phase magnétique, suggérant que les fluctuations de spin pourraient jouer un rôle clé dans l’appariement supraconducteur.
- Étude de la dépendance en température : En étudiant l’évolution de la supraconductivité avec la température, la relation entre la supraconductivité et la phase magnétique est davantage confirmée.
Autres informations utiles
L’équipe de recherche a également développé une nouvelle méthode de fabrication de dispositifs, utilisant la technique de transfert à sec et le dopage au RuCl₃ pour réaliser des contacts de haute qualité. Cette méthode fournit une référence importante pour les futures études sur les phénomènes corrélés dans d’autres matériaux bidimensionnels.
Cette recherche offre non seulement une nouvelle perspective pour comprendre la supraconductivité dans les matériaux bidimensionnels, mais fournit également une référence importante pour la conception future de nouveaux matériaux supraconducteurs.