中国学者一作！康奈尔大学，再发Nature！

研究背景

随着对低维材料及其相关现象的研究不断深入，Moiré材料因其独特的电子特性和潜在的应用前景而引起了广泛关注。Moiré材料通过周期性堆叠形成的平带电子结构，使得强关联效应得以显现，进而激发出多种量子相态，包括超导性、Mott绝缘体等。然而，尽管在石墨烯Moiré材料中观察到了超导现象，在其他Moiré材料（如过渡金属二硫属化合物）中，稳定的超导性依然是一个未解之谜，这对我们理解平带中的超导机制提出了挑战。

此前的研究虽然探讨了TMD Moiré材料中的电子关联现象，并发现了Mott绝缘体和Wigner晶体等态，但对其超导性却缺乏深入理解。一项早期研究曾报道通过掺杂手段在扭曲双层二硒化钨（tWSe2）中发现了超导态，但该态在热循环中表现出不稳定性，进一步限制了我们对TMD Moiré材料中超导现象的理解。

成果简介

为了解决这一问题，美国康奈尔大学Yiyu Xia, Zhongdong Han，Jie Shan & Kin Fai Mak等在Nature期刊上发表了题为“Superconductivity in twisted bilayer WSe2”的最新论文。科学家们开展了关于AA堆叠的3.5°和3.65° tWSe2的电传输研究。研究发现，在接近半带填充和零外部位移场的条件下，tWSe2中出现了稳定的超导性。

该超导转变温度约为200 mK，占有效费米温度的1-2%，与高温超导体的表现相似。这一发现不仅展示了TMD Moiré材料中的强电子关联效应，还表明超导性可能与库仑诱导的电荷局域化边缘相接近，暗示超导状态的形成与强关联效应密切相关。

资料显示，本文的第一作者是南瑞集团有限公司Yiyu Xia；此外，第二作者Zhongdong Han是北京大学校友，并且以上两人均为本文的通讯作者！

研究亮点

1. 实验首次观察到在3.5°和3.65°扭曲双层二硒化钨（tWSe2）中出现稳定的超导性，表明该材料在Moiré结构中具有强电子关联特性。

2. 实验通过电传输研究，发现超导性在接近半带填充和零外部位移场时显现。最优超导转变温度约为200 mK，相当于有效费米温度的1-2%，提示强电子配对机制的存在。

3. 研究表明该超导体在低于和高于半带填充时分别表现为两种不同的金属态，通过调节外部位移场可以实现从超导态向关联绝缘态的连续过渡。

4. 此外，所观察到的超导性位于库仑诱导的电荷局域化的边缘，进一步支持了强电子关联的根源。该结果为探索TMD Moiré材料中的超导性和相关物理现象提供了新的视角。

图文解读

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。

结论展望

本文的研究为理解强电子相关性驱动的非常规超导性提供了新的视角，尤其是在扭转双层WSe2（tWSe2）系统中观察到的超导状态。首先，超导性仅在层间混合的区域出现，表明量子几何在超导机制中可能扮演重要角色。这为探索拓扑材料中的超导现象开辟了新路径。

其次，超导体的正常态是一个强相关金属，这种状态在ν=1附近与其他金属态相连，而不是像石墨烯中的情况那样通过掺杂相关绝缘体来实现超导。这一发现强调了不同材料体系中超导现象的独特性。此外，研究还表明，超导相位与非常规金属态的相互作用复杂，且在强配对极限下具有显著的转变温度与特征长度。

文献信息

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